- •Физика полупроводников
- •Глава 1. Физические модели полупроводников 22
- •Введение
- •В.1. Основные этапы развития физики полупроводников.
- •1) Дискретная электроника на электровакуумных приборах.
- •«Закон Мура» скоро умрет?
- •В.3. Классификация веществ по удельной электрической проводимости. Основные представления о свойствах полупроводников.
- •Глава 1. Физические модели полупроводников
- •1.1. Модельные представления о структуре твердых тел
- •1.1.1. Агрегатные состояния вещества (конспективно)
- •1) Газообразное вещество
- •2) Жидкое состояние
- •3) Твердые тела (вещества)
- •4) Особые состояния вещества:
- •1.1.2. Типы связей в кристаллах (конспективно)
- •1. Ионная связь ( рис. 1.1) :
- •2. Металлическая связь.
- •3. Связь Ван-дер-Вальса
- •4. Ковалентная связь.
- •1.1.3. Кристаллические решетки. Операции симметрии.
- •1.1.4. Положение и ориентация плоскостей и направлений в кристалле
- •1.1.5. Обратная решетка
- •1.1.6. Примеры кристаллических структур материалов электроники
- •1.1.7. Тепловые колебания атомов решетки
- •1.1.8. Дефекты кристаллического строения
- •Линейные дефекты (дислокации, стержнеобразные дефекты и др.);
- •Поликристаллические и аморфные материалы
- •1.1.9. Жидкие кристаллы
- •1.1.10. Фазовые диаграммы и твердые растворы
- •1.1.11. Выращивание кристаллов кремния
- •Получение металлургического кремния.
- •Получение трихлорсилана
- •Осаждение из парогазовой смеси поликрист. Кремния.
- •1.2. Модели электропроводности полупроводников
- •1.2.1. Электропроводность собственного полупроводника в рамках модели ковалентной связи
- •1.2.2. Электропроводность примесных полупроводников в рамках модели ковалентной связи
- •1.2.3. Элементарная теория электропроводности полупроводников
1.2.3. Элементарная теория электропроводности полупроводников
Проведем подсчет плотности тока для донорного полупроводника, электроны проводимости которого будем рассматривать как идеальные частицы, не имеющие собственного объема и не взаимодействующие друг с другом. Так как по классической теории радиус электрона r0 ~10 -13 см, то при концентрации их п~ 1022 см3 объем электронов составляет — 4r03 /3 ~ 10-17 объема вещества и первое предположение вполне оправдано.
Предположим, что концентрация электронов проводимости n (количество свободных электронов в 1 см3 полупроводника), а скорость их дрейфового движения V. Поскольку плотность тока есть заряд, проходящий в единицу времени через единичное сечение площадки, перпендикулярной направлению скорости движения электронов, то
J= - qпV, (1.10)
Определение скорости дрейфа электронов проведем без учета (первый случай) и с учетом статистического разброса времени свободного пробега (второй случай).
В первом случае, предполагается, что время свободного электрона равно его усредненному значению. Пусть под действием внешнего электрического поля напряженности Е электроны с массой т и зарядом q получают ускорение
a = - qE/m (1.11)
и направленную добавку к скорости
V = at = qtE/m, (1.12)
где t - время, в течение которого действует ускорение a. Если бы t не было ничем ограничено, то и скорость электронов в направлении поля неограниченно возрастала бы. В действительности это не так. В реальных кристаллах всегда существуют дефекты, ограничивающие длину свободного пробега, а, значит, и время, в течение которого электрону сообщается ускорение. Поэтому электрон лишь на сравнительно небольшом отрезке пути, равном длине свободного пробега, движется ускоренно, затем испытывает соударение, теряет при этом свою направленную скорость и весь процесс начинается снова.
Время свободного пробега, зная длину свободного пробега, можно определить на основании выражения:
= l/V (1.13)
где V = V0 + V. Так как направленная добавка к скорости электрона V при не очень сильных полях мала по сравнению со скоростью V0 хаотического теплового движения электронов в отсутствие поля, то формулу (1.9) можно переписать в виде:
= l/V0 (1.14)
Средняя дрейфовая скорость, с которой электрон будет двигаться вдоль поля,
V = V/2= qE/2m (1.15)
Здесь мы учли, что в момент после столкновения начальная дрейфовая скорость равна нулю.
Второй случай. В действительности численные значения величин "время свободного пробега" и "среднее время свободного пробега" существенно различаются. Для учета статистического разброса времени свободного пробега сделаем следующее предположение. Пусть вероятность того, что электрон за время dt испытает столкновение (рассеяние) пропорциональна dt/, где 1/ - неизвестный параметр. Кроме того, будем считать, что вероятность столкновения в единицу времени 1/ не зависит от времени, т. е. есть некоторая постоянная величина.
Обозначим вероятность того, что электрон летел в течение времени t без столкновения p(t). Тогда вероятность того, что электрон пролетел время t без столкновения, а затем испытал столкновение за время dt будет равна произведению вероятностей этих двух событий:
dw(t) = p(t) dt/ (1.16)
Но это dw(t) и есть уменьшение p(t) за время dt:
dw(t) =- dp(t).
Следовательно,:
dp(t= - p(t) dt/. (1.17)
Решая уравнение (10) относительно р, получаем:
р(t)=р0 exp(- t/), (1.18)
где р = р0 при t=0.
Если начать отсчет с момента после столкновения, то р0 = 1. Тогда
р(t)= exp(- t/) (1.19)
Из последнего соотношения следует, что количество электронов, движущихся в данном направлении, в результате столкновений уменьшается по экспоненциальному закону с постоянной времени .
Воспользовавшись выражением (12), среднее время свободного пробега электронов можно рассчитать по формуле:
(1.20)
Откуда следует, что есть среднее время свободного пробега, то есть среднее время движения электронов между двумя соударениями.
Среднюю дрейфовую скорость определим аналогичным образом:
(1.21)
Сравнивая формулы (8) и (14) следует, что учет непостоянства времени свободного пробега дает в два раза большую среднюю дрейфовую скорость электронов. Отметим, что в выражение (1.17) также входит величина . Ее можно рассматривать как время релаксации системы.
Таким образом, как видно из соотношений (8) и (14), скорость дрейфа электронов пропорциональна напряженности электрического поля, времени свободного пробега и обратно-пропорциональна массе электрона.
Параметр, связывающий дрейфовую скорость носителей заряда с напряженностью электрического поля, называют подвижностью носителей заряда. Обозначим его , тогда
V = E, (1.22)
где, как следует из (14),
=V/E = q/m, (1.23)
то есть подвижность носителей заряда численно равна скорости дрейфа в электрическом поле единичной напряженности.
С учетом равенства (15 ) выражение (3 ) для плотности тока примет вид:
J = - qnV = qnE (1.24)
так как вектор скорости электронов направлен в противоположную сторону вектора E.
Удельная проводимость на основании закона Ома может быть выражена при помощи (17 ) как
= J/E = qnn, (1.25)
или = e2n/m
Аналогично может быть получено выражение для удельной проводимости полупроводника р-типа:
= J/E = qрp (1.26)
В случае, если проводимость обусловлена переносом электронов и дырок, что имеет место, например, в собственных полупроводниках, выражение для удельной проводимости можно зависать в виде:
= J/E = qрр+ qпп (1.27)
Из соотношения (19) следует, что в полупроводнике п-типа, где основными носителями являются электроны, дрейфовый ток, обусловленный неосновными носителями (дырками) пренебрежимо мал по сравнению с током, который связан с основными носителями.
Кроме этого, еще раз обращаю внимание на следующее: в полупроводнике п-типа, то есть легированном донорной примесью, вектор напряженности электрического поля и скорости электронов направлены в противоположные стороны, а в полупроводнике р-типа – вектор напряженности электрического поля и скорости дырок направлены одинаково.