Полупроводниковые приборы

контрольная работа

1. Физические основы полупроводниковых приборов

Полупроводник - это вещество, занимающее по величине удельной электрической проводимости промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками.

Основным признаком, выделяющим полупроводники как особый класс веществ, является сильное влияние температуры и концентрации примесей на их электрическую проводимость. Так, например, зависимость электрической проводимости полупроводника от температуры носит экспоненциальный характер и уже при сравнительно небольшом ее увеличении проводимость полупроводника резко возрастает (до 5 - 6 % на градус). Проводимость же металлов с ростом температуры не увеличивается, а незначительно уменьшается: изменение составляет десятые доли процента на градус. Введение примеси в полупроводник уже при дозах порядка 10-7 - 10-9 % существенно увеличивает его электропроводность. У большинства полупроводников сильное изменение электрической проводимости возникает под воздействием света, ионизирующих излучений и других энергетических воздействий.

Применяемые в технике полупроводники имеют совершенную кристаллическую структуру. Их атомы размещены в пространстве в строго периодической последовательности на постоянных расстояниях друг от друга, образуя кристаллическую решетку.

Каждый атом, находящийся в кристаллической решетке, электрически нейтрален. Силы, удерживающие атомы в узлах решетки возникают за счет обмена взаимодействующих атомов валентными электронами. Подобная связь атомов носит название ковалентной связи. Равновесное состояние системы частиц соответствует минимуму потенциальной энергии и является устойчивым, так как для разрушения молекулы необходима затрата энергии.

В германии и кремнии, являющихся четырехвалентными элементами, на наружной оболочке имеется по четыре валентных электрона. Поэтому каждый атом образует четыре ковалентные связи с четырьмя ближайшими, окружающими его атомами.

В рассмотренной идеальной решетке все электроны связаны со своими атомами, поэтому такая структура не должна проводить электрический ток. Однако в полупроводниках (что коренным образом отличает их от диэлектриков) сравнительно небольшие энергетические воздействия, обусловленные нагревом или облучением, могут привести к разрыву некоторых валентных связей в решетке. При этом валентный электрон, оторвавшийся от своего атома, переходит в новое устойчивое состояние, в котором он обладает способностью перемещаться по кристаллической решетке. Такие сорванные с валентных связей подвижные электроны называются электронами проводимости. Они обусловливают электропроводность полупроводника, называемую электронной электропроводностью.

Минимальная величина энергии зоны ДW, которую необходимо сообщить валентному электрону для того, чтобы оторвать его от атома и сделать подвижным, зависит от структуры решетки и, следовательно, является параметром полупроводника.

Энергия электронов, перемещающихся по кристаллу, лежит в некотором диапазоне значений, иначе говоря, электроны занимают целую зону энергетических уровней, называемую зоной проводимости. Энергетические состояния валентных электронов также образуют зону, называемую валентной. Между максимальным уровнем валентной зоны и минимальным уровнем зоны проводимости лежит область энергетических состояний, в которых электроны не могут находиться; это так называемая запрещенная зона (рис. 1, а). Ширина запрещенной зоны ДW определяет энергию, необходимую для освобождения валентного электрона, т.е. энергию ионизации атома полупроводника.

Рис. 1. Энергетическая диаграмма полупроводника:

а - собственный полупроводник; б - примесный полупроводник

Ширина запрещенной зоны для германия 0,72 эВ, для кремния 1,12 эВ. Для металлов валентная зона перекрывается с зоной проводимости.

Таким образом, с энергетической точки зрения отрыв валентного электрона от атома и превращение его в электрон проводимости соответствуют переходу электрона из валентной зоны в зону проводимости. Схемы энергетических состояний электронов, изображенные на рис. 1, носят название энергетических диаграмм полупроводника.

При разрыве валентной связи и уходе электрона из атома в зону проводимости в решетке образуется незаполненная связь. В результате имеет место не скомпенсированный положительный заряд, равный по величине заряду электрона +е. Так как на незаполненную связь легко переходят валентные электроны с соседних связей, чему способствует тепловое движение в кристалле, то место, где отсутствует валентный электрон, (называемое, дыркой), хаотически перемещается по решетке. При наличии внешнего поля дырка также будет двигаться в направлении действия поля, что соответствует переносу положительного заряда, т.е. электрическому току. Этот вид электропроводности полупроводника называют дырочной электропроводностью в отличие от ранее рассмотренной электронной электропроводности, обусловленной свободными электронами.

Полупроводник, имеющий в узлах решетки только собственные атомы, принято называть собственным полупроводником. Полупроводник, у которого часть атомов основного вещества в узлах кристаллической решетки замещена атомами примеси называют примесным. Для германия и кремния чаще всего используют пятивалентные и трехвалентные примеси. К пятивалентным примесям относятся фосфор, сурьма, мышьяк и др., а к трехвалентным - бор, алюминий, индий, галлий.

При наличии пятивалентной примеси четыре валентных электрона примесного атома совместно с четырьмя электронами соседних атомов образуют ковалентные связи, а пятый валентный электрон оказывается «лишним». Энергия связи его со своим атомом зоны ДWn намного меньше, чем энергия зоны ДW, необходимая для освобождения валентного электрона. Благодаря небольшой энергии ионизации зоны ДWn пятый валентный электрон даже при комнатной температуре может быть оторван от своего атома за счет энергии теплового движения. При этом образуется свободный электрон, способный перемещаться по кристаллической решетке, и неподвижный положительный заряд - атом примеси, потерявший этот электрон. Примеси такого вида, отдающие электроны, называются донорными.

При введении трехвалентной примеси примесный атом отдает три своих валентных электрона для образования ковалентных связей с тремя близлежащими атомами. Связь с четвертым атомом оказывается незаполненной, на нее сравнительно легко могут переходить валентные электроны с соседних связей. При переходе валентного электрона на незаполненную связь примесный атом с присоединенным лишним электроном образует в решетке неподвижный отрицательный заряд; кроме того, в решетке образуется дырка, способная перемещаться по решетке и обусловливающая дырочную проводимость полупроводника. Примеси такого вида, захватывающие электроны, называются акцепторными.

На энергетической диаграмме полупроводника (см. рис. 1, б) донорные и акцепторные примеси образуют локальные энергетические уровни, лежащие в запрещенной зоне. Уровни доноров находятся около зоны проводимости (энергия ионизации их равна ширине зоны ДWn), а уровни акцепторов - у валентной зоны Их энергия ионизации равна ширине зоны ДWр.

В чистом (беспримесном) полупроводнике электроны и дырки всегда образуются парами. Концентрации электронов ni и дырок pi в нем одинаковы:

,

где А -- коэффициент, зависящий от разновидности полупроводника; ДW0 -- ширина запрещенной зоны при T= 0 К, k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

Энергия активации примеси очень невелика, уже при комнатной практически все атомы примеси оказываются ионизированными, кроме того, ионизируется некоторая часть атомов основного вещества. Таким образом, в полупроводнике с донорной примесью концентрация электронов в зоне проводимости определяется выражением

nn = Nд + ,

где Nд - концентрация донорной примеси равна. Обычно Nд >> , т. е. концентрация электронов в полупроводнике с донорной примесью получается большей, чем в беспримесном полупроводнике.

Концентрация дырок в полупроводнике с донорной примесью оказывается значительно ниже концентрации электронов. В связи с этим их называют неосновными носителями заряда, электроны, составляющие в данном случае подавляющую массу подвижных носителей, - основными носителями заряда, а полупроводник с донорной примесью - полупроводником с электронной электропроводностью или полупроводником n-типа (negative - отрицательный).

В полупроводнике с акцепторной примесью концентрация дырок существенно выше концентрации электронов. Поэтому электроны в данном случае являются неосновными носителями, а дырки являются основными носителями. Полупроводник с акцепторной примесью называется полупроводником с дырочной электропроводностью или полупроводником р-типа (positive - положительный).

Причиной, вызывающей электрический ток в полупроводнике, может быть не только электрическое поле. Пусть по каким-либо причинам концентрация подвижных носителей заряда в полупроводнике в различных его точках неодинакова. Если при этом тело электрически нейтрально и в любой его микрообласти сумма положительных и отрицательных зарядов равна нулю, то различие в концентрациях носителей в соседних областях не приведет к появлению электрического поля и электрических сил расталкивания, выравнивающих концентрацию. Но в соответствии с общими законами теплового движения в полупроводнике возникнет диффузия микрочастиц из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией. Так как диффундирующие микрочастицы несут заряд, то в результате диффузии в полупроводнике появится электрический ток. В отличие от дрейфового тока, вызываемого электрическим полем, электрический ток, обусловленный градиентом концентрации носителей, называют диффузионным током.

В общем случае в полупроводнике могут существовать и электрическое поле, и градиент концентрации носителей. Тогда ток, протекающий в полупроводнике, будет иметь как дрейфовую, так и диффузионную компоненты.

Делись добром ;)