ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Кристаллическая решетка кремния из "Кремниевые вентили " Электрические свойства класса веществ, называемых полупроводниками, обусловлены пространственным расположением их атомов. [c.10] Основным материалом, применяемым в данное время для изготовления мощных полупроводниковых приборов, является кремний. Кремний обладает электронным характером проводимости в отличие от некоторых других типов полупроводников, обладающих проводимостью ионного типа. Электронный характер проводимости обусловлен свойствами кристаллической структуры кремния. [c.10] Согласно современным представлениям атом кремния состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого расположены электроны. В целом атом электрически нейтрален, поэтому положительный заряд ядра равен суммарному отрицательному заряду электронов атома. Электроны вокруг ядра располагаются в строго определенном порядке, образуя электронные оболочки, содержащие четырнадцать электронов. Существуют закономерности, определяющие максимальное количество электронов в каждой оболочке. Самая последняя, внешняя оболочка может содержать меньше электронов, чем разрешается. В таком случае она называется незаполненной оболочкой. [c.10] Четыре валентных электрона каждого атома оказываются общими с четырьмя другими окружающими атомами. При этом у каждого из четырех соседних атомов один электрон становится общим с данным атомом. Каждый валентный электрон образует устойчивую связь с валентным электроном другого атома. Эти связи пары электронов, удерживающие атомы друг возле друга, называются иарно-электронными или ковалентными связями. На рис. 1-1 схематически изображены подобные ковалентные связи в кремнии. [c.11] Электрон, находящийся в ковалентной связи, прочнее связан с атомом, чем электрон, не образующий такую связь. Последнее обстоятельство объясняется тем, что внешняя оболочка атомов при ковалентной связи оказывается полностью заполненной — состоит из восьми электронов. Разрушить эти связи, вырвав электрон из полностью заполненной оболочки, довольно трудно. Четыре валентные связи образуют, таким образом, кристаллическую решетку, состоящую из элементарных ячеек, в каждой из которых находятся восемь атомов. [c.11] Эти восемь атомов, составляющие кристаллическую ячейку, располагаются определенным образом, причем линии, соединяющие внешние атомы кристаллической ячейки, образуют куб. Такая элементарная кристаллическая ячейка периодически повторяется, образуя кристалл. Кристаллическая решетка этого типа называется кристаллической решеткой типа алмаза. [c.12] В кристалле такого типа при температуре абсолютного нуля нет свободных электронов, т. е. таких, которые не связаны с определенным атомом и могут передвигаться по всему кристаллу. Валентные электроны прочно удерживаются в атоме, кристалл неспособен проводить ток при приложении к нему внешнего напряжения. Проводимость такого идеального кристалла равна нулю, он является в этом случае диэлектриком. Для разрушения ковалентных связей и перехода валентных электронов в свободное состояние им необходимо сообщить некоторую энергию извне. Эта энергия, необходимая для перевода одного из валентных электронов в свободное состояние, т. е. для и0низащ1и атома кремния, называется энергией ионизации. В квантовой механике энергию ионизации атома кремния называют иначе — шириной запрещенной зоны кремния А/Го, измеряемой в электрон-вольтах. [c.12] Энергия, необходимая для ионизации атома, может быть сообщена кристаллу при нагревании его, освещении, приложении электрического поля и т. д. Так, при возрастании температуры кристалла начинаются тепловые колебания атомов решетки, находившихся при температуре абсолютного нуля в неподвижном состоянии, и появляется некоторое количество свободных электронов. Для этих электронов тепловая энергия, переданная им атомами, оказывается достаточной для разрыва ковалентных связей. [c.12] Средняя тепловая энергия, определяемая величиной кТ (где /г= 1,38 эрг/град — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура), при комнатной температуре равна приблизительно 0,026 эв. Ширина запрещенной зоны для кремния Д о=1,12 эв. Следовательно, для ионизации атомов кремния средней тепловой энергии при комнатной температуре явно недостаточно. [c.12] При приложении внешнего электрического поля электрон может перейти из соседней валентной связи на вакансию, освобождая новую вакансию иа вновь появившуюся вакансию перейдет электрон из соседней с ней валентной связи и т. д. Такому перемещепию большой совокупности электронов можно противопоставить движение одной вакансии в паправлении, обратном перемещению свободных электронов. В квантовой механике показано, что это псрсмеш,ение совокупности электронов может быть описано как движение положительных зарядов, ускоряемых внешним приложенным нолем в паправлении поля. По абсолютной величине этот положительный заряд равен заряду электрона, а масса его имеет положительный знак и отличается в общем случае от массы свободного электрона. Такие положительные заряды получили название дырок. Проводимость, обусловленная дырками, имеет положительный знак и называется дырочной. [c.13] Па рис. 1-2 схематически показано появление дырки. [c.13] Строго говоря, носителями заряда в данном случае также являются электроны, так как действительный перенос тока осуществляется за счет поочередного перехода электронов из одной валентной связи в другую. Однако практически гораздо удобнее рассматривать непрерывное движение положительного заряда с определенной массой, скоростью и энергией вместо поочередного перемещения электронов нз связи в связь, так как это позволяет применить обычные классические представления для описания таких процессов. [c.13] По величине удельной проводимости при комнатной температуре ковалентные кристаллы можно разделить на два класса веществ полупроводники с удельной проводимостью —10 ож сж- и диэлектрики с удельной проводимостью 10 —10- ож- -сж . Заметим, что удельная проводимость третьего класса веществ-металлов лежит в пределах 10 —10 ом -см- . [c.13] При комнатной температуре подвижности в кремнии равны 1п = 1 200 см 1в-сек и Цр = 500 см 1в-сек. [c.15] Так как подвижность электронов больше подвижности дырок, то даже при наличии одинаковых концентраций электронов и дырок проводимость будет обусловлена в основном электронами. Собственный полупроводник поэтому будет иметь электронную проводимость. [c.16] С увеличением концентрации примесей максимум сдвигается в область высоких температур, как это показано на рис. 1-3. [c.16] При обычных концентрациях иримесей в кремнии, используемом для изготовления полупроводниковых приборов, и при обычных рабочих температурах подвижность с ростом температуры падает. [c.16] Вернуться к основной статье