Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые приборы.
Полупроводниками называют кристаллические или аморфные вещества, объемное сопротивление
которых при комнатной температуре колеблется в пределах от 10-4 до 104 ом*см. Объемное
сопротивление металлов находится в пределах от 10-6 до 10-4 ом*см, диэлектриков от 105 до 1022 ом*см.
Следовательно, по величине сопротивления полупроводники занимают промежуточное место между
проводниками (металлами) и непроводниками (диэлектриками).
Для полупроводников характерна сильная зависимость сопротивления от температуры,
напряженности электрического и магнитного полей , освещенности, механических напряжений,
воздействия электромагнитных излучений и т.п.
Большинство полупроводников имеет кристаллическую структуру. Атомы химических элементов
состоят из ядра, вокруг которого по эллиптическим орбитам вращаются «планетарные» электроны.
Число электронов в электронной оболочке атома равно порядковому номеру химического элемента в
периодической таблице Менделеева. «Планетарные» электроны образуют несколько слоев вокруг ядра
атома. Электроны каждого слоя обладают кинетической энергией одного порядка.
В последнем, внешнем слое, в котором находятся валентные электроны, число электронов не может
быть больше восьми. Валентные электроны определяют химические и физические свойства вещества,
так как легко вступают во взаимодействие с валентными электронами атомов других веществ.
Энергия электрона, входящего в электронную оболочку атома, может изменяться не непрерывно, а
скачками.
Минимальное приращение энергии электрона равно одному кванту.
Структура атома кремния в плоскостном изображении на рисунке 1.
Рис. 1
Поведение электронов в атоме лучше всего показывает зонная теория. Валентные электроны,
входящие в состав внешней электронной оболочки атома, обладают наибольшей энергией по сравнению
со всеми остальными электронами атома и под действием внешних факторов (температуры,
освещенности) могут переходить на еще более высокие энергетические уровни, соответствующие зоне
проводимости I. Обладая энергией, соответствующей зоне проводимости, электроны становятся
свободными, т.е. теряют связь с ядром атома. Направленное перемещение свободных электронов между
атомами вещества называется током электронной элекропроводности.
Металлы отличаются полным отсутствием запрещенной зоны (рис. 2) а между валентной зоной III и
зоной проводимости I и поэтому имеют хорошую электропроводность. В узлах кристаллической
решетки металлов находятся положительные ионы, а валентные электроны образуют так называемый
электронный газ.
Рис. 2
В диэлектриках ширина запрещенной зоны II между валентной зоной III и зоной проводимости I
небольшая. (рис.3). Электроны не переходят в зону проводимости, атомы кристаллической решетки
остаются нейтральными, т.е. валентные электроны остаются на своих орбитах, и вещество не проводит
электрический ток. В полупроводниках запрещенная зона II настолько мала, что даже при комнатной
температуре часть валентных электронов валентной зоны III переходит в зону проводимости. Наиболее
широкое применение в полупроводниковых приборах нашли кристаллы германия и кремния.
Атомы германия и кремния четырехвалентные, т.е. имеют по четыре валентных электрона во
внешней электронной оболочке. Атом германия имеет 32 электрона, вращающихся вокруг ядра, а атом
кремния только 14. Поскольку электропроводность полупроводника обусловлена исключительно
явлениями, происходящими в валентной зоне и зоне проводимости, в дальнейшем будем рассматривать
только валентные электроны, которых у атомов германия и кремния одинаковое количество.
Рис. 3
Ковалентной связью называют такую связь, при которой два валентных электрона принадлежащие
двум соседним атомам, вращаются по одной общей орбите. Благодаря ковалентным связям атомы
удерживаются в узлах кристаллической решетки.
При повышении температуры или ином внешнем энергетическом воздействии на полупроводник
энергия электронов возрастает; все большая часть валентных электронов вследствие разрыва
ковалентных связей переходит в зону проводимости, и поэтому электропроводность полупроводников
увеличивается. Электропроводность
полупроводников, обусловленную переходом валентных
электронов в зону проводимости, называют электронной электропроводностью, или
электропроводностью типа п.
Переход валентных электронов из валентной зоны в зону проводимости приводит к появлению в
узлах кристаллической решетки положительных ионов. Это создает свободные энергетические уровни в
валентной зоне, на которые могут переходить валентные электроны соседних атомов. Такое свободное
место в валентной зоне называется дыркой. Дырка имеет положительный заряд, равный по величине
заряду электрона. Переход валентных электронов от атома к атому «с орбиты на орбиту» можно
рассматривать как перемещение дырок. Направленное перемещение дырок называют дырочной
электропроводностью, или электропроводностью типа р.
Следовательно, электронная электропроводность обусловлена направленным движением электронов,
а дырочная электропроводность перемещением дырок, вызванным направленным последовательным
заполнением дырок валентными электронами.
Собственной электропроводностью называют направленное перемещение зарядов в химических
чистых полупроводниках, не имеющих дефектов в кристаллической решетке. Собственная
электропроводность полупроводников вызвана разрывами ковалентных связей и переходом валентных
электронов в зону проводимости. В таких полупроводниках число валентных электронов, ушедших в
зону проводимости, равно числу дырок, образовавшихся в результате ухода валентных электронов.
Поэтому ток в полупроводниках с собственной электропроводностью создается направленным
движением свободных электронов и направленным перемещением дырок.
Собственная электропроводность, равная нулю при 0о К, сравнительно мала при комнатной
температуре и резко увеличивается при температурах 60-200о С.
Свободные электроны и дырки называются носителями зарядов, так как их направленное
перемещение приводит к появлению тока в полупроводнике.
Процесс возвращения свободных электронов из зоны проводимости в валентную зону, связанный с
исчезновением носителей зарядов, называется рекомбинацией.
Причинами, вызывающими направленное движение носителей зарядов, могут быть внешнее
электрическое поле и неравномерность концентрации носителей зарядов.
Примесные полупроводники с электронной электропроводностью.
Электропроводность полупроводников, вызванная введением в химически чистый кристалл
атомов других элементов, называется примесной электропроводностью. В зависимости от характера
вводимых в кристалл примесей различают примесные полупроводники
электропроводностью, дырочной электропроводностью и компенсированные.
с
электронной
Если в кристаллическую решетку германия или кремния добавить в качестве примеси
пятивалентное вещество, атомы которого имеют по пять валентных электронов (например, мышьяк,
сурьма, фосфор), то атомы примеси займут соответствующие места в узлах кристаллической решетки
германия или кремния. В этом случае четыре валентных электрона каждого атома примеси войдут в
ковалентные связи с соседними атомами германия или кремния, а пятые валентные электроны будут
очень слабо связаны с атомами.
Под действием тепловой энергии или внешнего электрического поля эти электроны легко
переходят с локальных уровней в зону проводимости и создают электронную электропроводность
полупроводника, или электропроводность типа n. Атомы примеси, дающие «избыточные» электроны
кристаллу основного вещества называются донорами.
Атомы доноров становятся положительными ионами, расположенными в узлах кристаллической
решетки.
При переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости в первой образуются дырки,
которые также являются носителями заряда. Следовательно, в полупроводниках с электронной
электропроводностью, кроме основных носителей зарядов- электронов, имеются неосновные носители
заряда- дырки, при этом концентрация электронов значительно больше концентрации дырок.
Примесные полупроводники с дырочной электропроводностью.
Если в кристалл германия или кремния ввести в качестве примеси трехвалентное вещество
(например, бор, индий, алюминий или галий), то одна из ковалентных связей в каждом атоме примеси
окажется незанятой и на нее может перейти валентный электрон с соседнего атома основного вещества.
В атоме основного вещества образуется недостаток электрона (дырка), а атом примеси становится
отрицательным ионом. Под действием электрического поля дырки будут перемещаться в направлении
электрических силовых линий и создадут дырочную электропроводность. Атомы примеси,
вызывающие увеличение числа дырок, называются акцепторами, так как они принимают валентные
электроны основного вещества, образуя отрицательные ионы, и создают дырочную
электропроводность.
В примесном полупроводнике с дырочной электропроводностью основными носителями зарядов
являются дырки, образующиеся при переходе валентных электронов из атомов основного вещества в
атомы акцепторной примеси, а неосновными носителями зарядов- электроны, переходящие из
валентной зоны в зону проводимости в процессе термогенерации.
Концентрация дырок в примесном полупроводнике типа р значительно больше концентрации
электронов.
Компенсированным называют полупроводник, в которой в равных количествах введены донорные и
акцепторные примеси.