ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Основы физики полупроводников из "Электротехнические материалы " Пусть атомы какого-нибудь материала расположены в виде пространственной решетки, но на столь больших расстояниях друг от друга, что взаимодействием между ними можно пренебречь. На рис. 3.1, а показана энергетическая схема атомов, удаленных относительно друг от друга на расстояние г, значительно большее параметра решетки а. Здесь через Ш(г) обозначена потенциальная энергия взаимодействия электрона с ядром. Из рисунка видно, что каждый отдельный атом можно уподобить своеобразной энергетической яме, ограниченной потенциальной кривой. Электрон в такой яме обладает отрицательной энергией и может находиться на одном из уровней W .W . Уровни расположенные выше W , - свободны. Атомы отделены друг от друга потенциальными барьерами шириной г, которые препятствуют свободному переходу электронов от одного атома к другому. [c.47] Если подвергнуть решетку медленному однородному сжатию, то по мере сближения атомов взаимодействие между ними возрастает и на расстояниях, равных параметру решетки а, достигнет нормальной величины. На рис. 3.1, б показана энергетическая схема атомов, сближенных на расстояние г = а. Из рисунка видно, что потенциальные кривые, отделяющие соседние атомы, частично перекрываются и дают результирующую потенциальюто кривило, проходящую ниже нулевого уровня 00. Это означает, что сближение атомов приводит к уменьшению не только ширины, но и высоты барьера. Примечательно, что эта высота оказывается даже несколько ниже первоначального положения энергетического уровня валентных электронов W . Поэтому валентные электроны получают возможность практически беспрепятственно переходить от одного атома к другому, происходит их полное обобществление. [c.47] При сближении атомов, как показано на рис. 3.2, дискретные энергетические уровни, свойственные отдельному атому, расщепляются на отдельные подуровни. В результате твердое тело характеризуется определенной зонной диаграммой, в которой разрешенные энергетические зоны чередуются с запрещенными. Каждая зона состоит из множества дискретных энергетических подуровней, расстояния между которыми столь малы, что зоны можно считать практически непрерьтными. [c.48] Энергетические зонные диаграммы металла, полупроводника и диэлектрика изображены на рис. 3.3, а-в. Верхняя разрешенная зона называется свободной или зоной проводимости, а расположенная непосредственно под ней разрешенная зона - валентной зоной. При температуре Т=0 К валентная зона всегда полностью заполнена электронами, зона же проводимости может быть заполнена только в нижней части в металлах или пустой — в полупроводниках и диэлектриках, различие между которыми состоит лишь в значительно большей ширине запрещенной зоны последних. На рис. 3.3 обозначено IV,. - нижняя граница зоны проводимости, - верхняя граница валентной зоны, Жо - ширина запрещенной зоны, отделяющей свободную зону от валентной в полупроводниках и диэлектриках. [c.48] Большинство полупроводников являются твердыми телами с регулярной кристаллической структурой, т.е. монокристаллами. Их кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу ячеек, имеющих определенные форму и размеры. [c.49] Беспримесный, химически чистый полупроводник называется собственным. При температуре Т=0 К в собственном полупроводнике нет свободных носителей заряда, его электрическая проводимость а=0. [c.49] Незаполненная электроном связь быстро заполняется одним из валентных электронов соседнего атома, на месте которого образуется дырка, и этот процесс повторяется. Наличие дырки в полупроводнике эквивалентно наличию в нем частицы с положительным зарядом, равным по абсолютному значению заряду электрона. [c.49] Электроны и дырки, обр.ззовасшиеся б результате термогекерации, совершают хаотическое движение в полупроводниковом кристалле в течение некоторого времени, называемого временем жизни, после чего свободный электрон заполняет незаполненную связь, становится связанным, при этом исчезает пара носителей заряда - свободный электрон и дырка. Этот процесс называется рекомбинацией. На энергетической диаграмме (рис. 3.4) генерация электроннодырочной пары отображена-переходом 1, рекомбинация - переходом 2. Таким образом, при температуре ТфО К в свободной зоне оказывается некоторое количество электронов, частично заполняющих ее. [c.49] Валентная зона, заполненная целиком при Т 0 К, при ТфО К заполнена не полностью, в ней имеются дырки. [c.49] Электроны и дырки совершают хаотическое тепловое движение в объеме кристалла. Сталкиваясь с узлами кристаллической решетки, они изменяют как направление своего движения, так и его скорость. Свойства электрона в твердом теле отличаются от его свойств в свободном пространстве. Одним из таких отличий и является то, что масса электрона в кристалле т не совпадает с его массой в свободном пространстве т. Величину т называют эффективной массой электрона. Это же понятие используют и применительно к дырке. Эффективная масса дырки Шр, как правило, больше т , вместе с тем обе эти величины меньше массы электрона в свободном пространстве т. [c.50] Рассмотрим примесные полупроводники. Содержащиеся в них примесные ато.мы могут оказывать сушественное влияние на электропроводность полупроводника. На рис. 3.5, а, в, д схематически представлены процессы образования свободных носителей заряда, способных участвовать в электропроводности, в собственном и примесном кремнии, эти же процессы показаны и на энергетических диаграммах (рис. 3.5, б, г, е). Для кремния характерны примеси замещения, V. е. атомы примеси заменяют атомы кремния в узлах кристаллической решетки. [c.50] При введении в кремний атома элемента V группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева (например, мышьяка As) четыре из пяти его валентных электронов вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних атомов кремния и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов. Девятый электрон оказывается слабо связанным с ядром пятивалентного элемента, он легко отрывается и превращается в свободный электрон (рис. 3.5, в), дырки при этом не образуется. На энергетической диаграмме этот процесс соответствует переходу электрона с уровня доноров (f jj в свободную зону (рис. 3.5, г). Примесный атом превращается в неподвижный ион с единичным положительным зарядом. Примесь этого типа называется донорной, а полупроводники, в которые введены атомы доноров, - электронными или п-типа электропроводности. В таких полупроводниках свободных электронов больше, чем дырок, и они обладают преимущественно электронной электропроводностью. [c.51] Если в кремний введен атом трехвалентного элемента Ш группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева (например, бора В), то все три его валентных электрона вступают в связь с четырьмя электронами соседних ато-.мов кремния. Для образования устойчивой оболочки из восьми электронов не хватает одного. Им является один из валентных электронов, отбираемый от ближайшего соседнего атома, у которого в результате образуется незаполненная связь - дырка (рис. 3.5, д). На энергетической диаграмме этот процесс соответствует переходу электрона из валентной зоны на уровень акцепторов Wa и образованию в валентной зоне дырки (рис. 3.5, е). Примесный атом превращается в неподвижный ион с единичным отрицательным зарядом, свободного электрона при этом не образуется. Примесь такого типа называется акцепторной, а полупроводники, в которые введены атомы акцепторов, - дырочными или р-типа электропроводности. Дырок в них больше, чем свободных электронов. Поэтому эти полупроводники обладают преимущественно дырочной электропроводностью. [c.51] Из энергетических диаграмм электронных и дырочных полупроводников (рис. 3.5, г, е) видно, что уровни доноров Wд и акцепторов Wa расположены в запрещенной зоне уровни Шд - вблизи зоны проводимости, а уровни Wa -вблизи потолка валентной зоны. Отрыв лишнего электрона от донора или добавление недостающего электрона к акцептору требует затраты энергии ионизации Wua , показанной на диаграммах. [c.51] Пусть при некоторой установившейся температуре T- onst полупроводник находится, в состоянии термодинамического равновесия. Это состояние характеризуется равенством скоростей генерации и рекомбинации Up, .. [c.51] В единичном объеме полупроводника находится определенное для данных полупроводника и температуры количество свободных носителей заряда, оно называется концентрацией. [c.52] Если это условие выполняется, полупроводник называется невырожденным, если, наоборот, не выполняется - вырожденным. [c.52] Вырождение полупроводника может наступить либо при высокой температуре (значение кТ велико), либо при обычньк рабочих температурах у полупроводников с малой шириной запрещенной зоны Уg, при высокой степени легирования. Степень, или уровень легирования определяется количеством примесных атомов в единице объема полупроводника. [c.53] 15) видно, что собственная концентрация зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника и температуры. Влияние температуры на величину п, тем сильнее, чем больше Wg. Экспериментальная зависимость и, (1/7) для кремния показана на рис. 3.8. [c.55] Вернуться к основной статье