Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ФОМ_лекция 2-тезисы.doc
Скачиваний:
44
Добавлен:
26.03.2015
Размер:
911.36 Кб
Скачать

9

Физические основы микроэлектроники; Электроника, Флеров А.Н., 2015

.

Лекция 2, тезисы

Мы установили, что межатомная связь возникает благодаря тому, что атомы в веществе расположены близко друг к другу, и их внешние электронные оболочки перекрываются.

В результате этого характер движения электронов в кристалле меняется: электроны, находящиеся на определенном энергетическом уровне одного атома, получают возможность переходить без затраты энергии на соответствующий уровень соседнего атома и, таким образом, - свободно перемещаться по объему всего твердого тела.

Валентная зона и зона проводимости

Нас будут интересовать валентная зона и зона проводимости зонной диаграммы

Рис 2.2 Зонная диаграмма диэлектрика и полупроводника (х- координата кристалла)

Металлы

Вещества, у которых валентная зоны и зона проводимости перекрываются - металлы.

Диэлектрики

Вещества, у которых ширина запрещенной зоны достаточно велика для того, чтобы ни один электрон, находящийся в валентной зоне, не мог ни при какой температуре, вплоть до температуры плавления, переброситься в зону проводимости, называются диэлектриками.

Диэлектрики имеют очень высокое электрическое сопротивление.

В полупроводниковой электронике большое практическое значение имеют диэлектрики, представляющие собственные оксиды полупроводников. Для кремния - это двуокись кремния SiO2, имеющая ширину запрещенной зоны 8 эВ.

Оценки показывают, что при ширине запрещенной зоны Eg > 2 эВ вероятность перехода электрона из валентной зоны в эону проводимости становится бесконечно малой при всех доступных нам температурах, поэтому к диэлектрикам можно отнести все изоляторы, у которых Eg > 2 эВ.

Однако следует помнить, что такая классификация подходит только к ²чистым² беспримесным веществам, поскольку легирование диэлектриков, например, алмаза (Eg = 5,5 эВ) приводит к возникновению у них проводимости, характерной для полупроводников.

Полупроводники

полупроводники - это вещества, у которых за счет теплового возбуждения заметное число электронов попадает из валентной зоны в зону проводимости и при отличной от нуля температуре сравнительно хорошо проводят ток.

Наиболее широкое применение в полупроводниковой (пп) технике получили кремний [Si], германий [Ge], селен [Se], а также пп соединения: арсенид галлия [GaAs], карбид кремния [SiC], сульфид кадмия [CdS] и пр.

Существуют еще интересные с точки зрения зонной структуры кристаллы, которые имеют большое практическое значение.

Нередки случаи, когда при Т близкой к 0о К зоны перекрываются очень незначительно. Такие вещества обладают промежуточными между металлами и полупроводниками свойствами: их часто называют полуметаллами. Концентрация электронов в них изменяется в широких пределах n = 1018¸1021 см-3. Характерными примерами таких веществ могут служить висмут[Bi], сурьма [Sb].

Существует еще один особый класс веществ, строго занимающий промежуточное положение между металлами и полупроводниками - бесщелевые полупроводники - кристаллы, у которых расстояние между валентной зоной и зоной проводимости равно нулю. В бесщелевых полупроводниках нижняя заполненная электронами зона примыкает к верхней зоне, в которой при Т близкой к 0о К вовсе нет электронов.

К бесщелевым полупроводникам относятся теллурид ртути HgTe, а также серое олово a-Sn.

Изменяя межатомное расстояние в полупроводниковых кристаллах под давлением, можно добиться перекрытия валентной зоны и зоны проводимости. При этом рассматриваемое вещество превратится из полупроводника в металл.

Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые материалы - вещества с четко выраженными свойствами полупроводников в широком интервале температур, включая комнатную (~ 300 К), являющиеся основой для создания полупроводниковых приборов.

Для полупроводниковых материалов характерна высокая чувствительность электрофизических свойств к внешним воздействиям (нагрев, облучение, деформации и т.п.), а также к содержанию структурных дефектов и примесей.

Это используется для создания различных типов пп приборов.

Пример: удельная электрическая проводимость а при 300о К составляет 104 ~ 1010 Ом-1·см-1 и увеличивается с ростом температуры.

Полупроводниковые материалы по структуре делятся на кристаллические, твердые аморфные и жидкие.

Наибольшее практическое применение находят неорганические кристаллические полупроводниковые материалы, которые по химическому составу разделяются на следующие основные группы.

1) Элементарные полупроводники

В группу элементарных полупроводников входят 12 химических элементов, которые образуют компактную группу, расположенную в середине таблицы Д. И. Менделеева (рис.2.2).

Ge, Si, C - углерод (алмаз и графит), В, a-Sn (серое олово), Те, Se и другие.

Рис.2.3 Цифры в кружке справа от символа химического элемента обозначают ширину запрещенной зоны в кристалле данного химического элемента.

Важнейшие представители этой группы - Ge и Si имеют кристаллическую решетку типа алмаза (алмазоподобны) и образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов

2) Полупроводники аivвiv

Карбид кремния SiC-единств. пп., образуеый элементами IV группы. Структурные модификации: b-SiC (структура сфалерита); a-SiC (гексаген. структура), и пр. Тугоплавкий и широкозонный пп.

3) Полупроводники aivbVl,

Соединения типа AIVBVl элементов IV и VI групп периодической системы с кристаллической структурой типа NaCl также обладают полупроводниковыми свойствами. Важнейшие представители - полупроводники PbS, PbSe, PbTe, SnTe, твердые растворы, наиболее известны Pb Sn1-x Te, PbxSn1-xSe.

4) Полупроводники aiiibv

Соединения типа AIIIBV элементов III и V групп периодической системы. Имеют в основном кристаллическую структуру типа сфалерита. Связь атомов в кристаллической решетке носит преимущественно ковалентный характер с некоторой долей (до 15%) ионной составляющей.

Важнейшие представители этой группы: GaAs, InP, InAs, InSb.

Многие полупроводниковые материалы типа АIIIВV образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов -- тройных и более сложных (GaxAl1-xAs, GaAsxP1-x, GaxIn1_xP, GaxIn1-xAsyP1-y и т.п.), также являющихся важными.

5) Полупроводники aiibvi

Соединения типа AIIBVI с кристаллич. структурой типа сфалерита или вюрцита. Связь между атомами в решетке носит ковалентно-ионный характер (доля ионной составляющей достигает 45-60%).

Важнейшие представители этой группы полупроводниковых материалов- CdTe, CdS, ZnTe, ZnSe (селенид цинка) , ZnO, ZnS.

Многие соед. типа AIIBVI образуют между собой непрерывный ряд твердых р-ров, характерными представителями к-рых являются CdxHg1-xTe, CdxHg1-xSe, CdTexSe1-x.

Физ. св-ва соед. типа AIIBV1 в значительной мере определяются содержанием собственных точечных дефектов структуры, имеющих низкую энергию ионизации и проявляющих высокую электрическую активность.

***************

Si - Silicon

Ge – Germanium,

C – Carbon, Diamond (алмаз)

GaP - Gallium Phosphide GaAs - Gallium Arsenide GaSb - Gallium Antimonide

InSb - Indium Antimonide InP - Indium Phosphide InAs - Indium Arsenide

GaN - Gallium Nitride AlN - Aluminium Nitride

GaAs1-xSbx - Gallium Arsenide Antimonide AlxGa1-xAs - Aluminium Gallium Arsenide

GaxIn1-xP - Gallium Indium Phosphide

GaxIn1-xAs - Gallium Indium Arsenide

GaxIn1-xSb - Gallium Indium Antimonide

InAs1-xSbx - Indium Arsenide Antimonide

GaxIn1-xAsyP1-y - Gallium Indium Arsenide Phosphide

GaxIn1-xAsySb1-y - Gallium Indium Arsenide Antimonide

Электронно-дырочная проводимость п/п

Основную роль в процессе объединения атомов в кристалл играют электроны внешних оболочек, так называемые валентные электроны.

Различают ионную, металлическую и ковалентную связи.

- при ионной связи валентные электроны перемещаются от одних атомов к другим. Как следствие, в структуре возникают ионы.

- при металлической связи кристаллическая решетка из положительно заряженных ионов окружена ²электронным газом².

- при ковалентной связи валентные электроны становятся общими для ближайших соседних атомов и начинают вращаться по новым молекулярным орбитам в виде электронных пар.( рис.2.3)

Твердые тела IV группы имеют ковалентную связь.

Кремний, германий и углерод (алмаз), являются элементами 4-ой группы периодической системы Менде­леева.

Известно, что количество электронов на орбите равно 2n2.

У германия (14), т.о., 2, 8, 4 - не заполнено. У кремния (32), т.о., 2, 8, 18, 4 - не заполнено.

Это означает, что 4 электрона каждого атома являются валентными и участвуют в химических реакциях и процессах электропроводности.

Электроны, образующие ковалентную связь, находятся на связывающих орбитах, охватывающих по два атома, и, следовательно, каждый электрон принадлежит обоим атомам.

Ковалентные кристаллы высокой чистоты имеют очень высокое электрическое сопротивление и ведут себя подобно диэлектрику (для кремния это наблюдается при температурах, близких 0о К).

Энергия, необходимая для разрыва одной связи в атоме Si, составляет примерно 1,12 эВ,

Ge- составляет примерно 0,67 Эв, см. ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Большинство полупроводников и металлов обладают кристаллической структурой. Кристаллическое твердое тело отличается от других атомных структур трехмерной периодичностью расположения своих атомов.

Кремний и германий имеют кристаллическую структуру в виде объемно-центрированного тетраэдра, в котором каждый атом связан с 4-мя соседними атомами ковалентными связями.

Рис. 2.4. двумерная модель кристалла (4-х валентного) с ковалентными связями

Двойные линии (рис. 2.4) символизируют два валентных электрона, вращающихся вокруг соответствующей пары атомов и образующих ковалентную связь.

При ковалентной связи (двухэлектронной) электроны связи принадлежат уже не одному, а сразу обоим связанным собой атомам, т.е. являются для них общими.

При комнатной температуре или выше, тепловой энергии колебаний решетки может быть достаточно для разрыва ковалентной связи (т.е. при поглощении фонона), (связь также может разорваться при поглощении фотона соответствующей энергии) и высвобождению валентного электрона.

Освобождение какого-либо валентного электрона из атома кремния приводит к тому, что в системе ковалентных связей возникает пустое место (вакансия, дырка).

!!!Место отсутствия электрона в решетке называют дыркой.

Высвобожденный электрон может перемещаться по кристаллической решетке, создавая ток проводимости. Этот электрон может присоединяться к валентным электронам соседнего атома; в результате местоположение отсутствующего электрона (дырка) перемещается в пространстве от одного атома к другому. Таким образом, вакансия (дырка) в электронной оболочке может создавать ток за счет того, что она перемещается от атома к атома без какого-либо притока внешней энергии, расходуемой на разрыв связей.

!!! Перемещение высвобожденного электрона по кристаллической решетке п/п сопровождается перемещением соответствующей вакансии.

Дырку можно рассматривать как некоторую частицу, аналогичную электрону (точнее, квазичастицу), но с зарядом противоположного знака.

Заряд дырки положительный, вследствие чего она, будучи помещена во внешнее электрическое поле, движется в сторону, противоположную направлению движения электрона.

!!! Электрический ток в кремнии (и любом другом полупроводнике) одновременно создается движением электронов и дырок.

Электроны и дырки, обозначаемые буквой n (negative) и p (positive) соответственно, мы будем называть также термином “носители заряда”.

Генерация и рекомбинация

При температуре Т > 0 средняя энергия фонона равна

Еср = 3/2 kT (2.6)

(k - постоянная Больцмана), например, при комнатной температуре Т = 300 К она равна

0,039 Эв).

В стационарных условиях электронная подсистема кристалла в целом находится в тепловом равновесии с колебаниями решетки.

Сравнить Еср с Eg= 1,1 эВ для кремния.

Однако существует конечная вероятность того, что фонон имеет энергию Eg, которая может значительно превышать среднюю, эта вероятность пропорциональна

P ~ e-Eg/kT (2.7)

Электроны постоянно обмениваются энергией с фононами в процессе столкновений.

Тепловым возбуждением электрона называется акт передачи энергии от фонона электрону такой, что происходит разрыв ковалентной связи.

Если электрон получит от фонона энергию больше или равную Eg он может ²переброситься² из валентной зоны в зону проводимости, где он становится свободным и может участвовать в переносе заряда при приложении внешнего электрического поля.

Одновременно с переходом электрона в зону проводимости в валентной зоне образуется ²свободная² дырка, которая также участвует в электропроводности.

!!!ГЕНЕРАЦИЯ в собственных полупроводниках свободные электроны и дырки рождаются парами, этот процесс называется генерацией электронно-дырочных пар (рис. 2.4).

!!!РЕКОМБИНАЦИЯ - обратный процесс - взаимная аннигиляция электронов и дырок, когда электрон возвращается в валентную зону. Этот процесс называется рекомбинацией электронно-дырочных пар.

Число генерированных (рекомбинированных) пар носителей заряда в единице объема в единицу времени называется темпом генерации - G (рекомбинации - R).

В стационарных условиях темпы тепловой генерации и рекомбинации равны, то есть

G = R (2.8)

При этом в п/п существует равновесная концентрация электронов no и дырок po.

Рис.2.5 Генерация и рекомбинация

Генерация электронно-дырочных пар может происходить и при облучении полупроводника светом частотой , такой, что энергия фотона удовлетворяет условию (рис. 2.5)

(2.9)

Световая генерация и рекомбинация

При световой генерации электрон поглощает фотон (рис. 4).

При обратном процессе (рекомбинации) высвободившаяся энергия, равная Eg, может либо передаваться от электрона обратно решетке (фонону), либо уноситься фотоном.

Излучательная рекомбинация

Если энергия уносится фотоном, то этот процесс называется излучательной рекомбинацией

Могут также одновременно рождаться фононы и фотоны, но тогда, в силу закона сохранения, их парциальные энергии меньше Eg.

Световая генерация и излучательная рекомбинация лежат в основе работы целого класса оптоэлектронных полупроводниковых приборов - источников и приемников излучения.

Время жизни неравновесных носителей заряда

При воздействии на п/п света он получил избыточную концентрацию носителей n, p.

После прекращения энергетического воздействия на полупровод­ник избыточная концентрация носителей заряда в нем из-за про­цесса рекомбинации через некоторое время уменьшится до нуля.

!!! Количество носителей заряда, рекомбинирующих в единицу вре­мени в единице объема (быстрота изменения концентрации), пропорционально избыточной концентрации и обратно пропор­ционально некоторому параметру , который называют временем жизни неравновесных носителей заряда.

dn/dt =n/n ; dp/dt =p/p (2.10)

Концентрация неравновесных носителей заряда

n = n et/n; p = p et/p (2.11)

!!! временем жизни неравновесных носителей заряда является отношение избыточной концентрации (n или р) неравновесных носителей заряда к скорости изменения этой концентрации вследствие рекомбинации:

n=n,p/( dn,p/dt) (2.12)

02.2013 Флёров А.Н. курс “ Электроника и МПУ” Для самостоятельного изучения

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

http://ru.wikipedia.org/wiki/%C7%E0%EF%F0%E5%F9%B8%ED%ED%E0%FF_%E7%EE%ED%E0

Ширина запрещённой зоны различных материалов

Материал

Энергия в эВ

300 K

C (Алмаз)

5,46–6,4

Si

1,12

Ge

0,67

Se

1,74

АIVВIV

SiC 3C

2,36

SiC 4H

3,28

SiC 6H

3,03

АIIIВV

InAs

0,355

InSb

0,17

InN

0,7

InxGa1-xN

0,7–3,37

GaN

3,37

GaP 3C

2,26

GaSb

0,69

GaAs

1,42

AlxGa1-xAs

1,42–2,16

AlAs

2,16

AlSb

1,58

AlN

6,2

АIIВVI

TiO2

3,2

ZnO

3,37

ZnS

3,56

ZnSe

2,70

CdS

2,42

CdSe

1,74

CdTe

1,45

CdS

2,4

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Содержание:

1. Полупроводниковые вещества 11

2. Кристаллическая решетка 11