Лекция №1

Электрофизические свойства полупроводников.

Основными процессами в полупроводниковых приборах являются получение свободных носителей зарядов, управление их концентрацией, скоростью и направлением движения с помощью электрических и магнитных полей.

1. Что представляет собой полупроводник?

2. Как возникают свободные носители зарядов?

3. Какие факторы влияют на проводимость полупроводников?

Внутренняя структура полупроводника.

Полупроводниками называются материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по электропроводности.

Удельное электрическое сопротивление проводников лежит в пределах 10^-8 – 10^-5 Ом^.м, полупроводников –10^-5…10⁷ Ом^.м, диэлектриков -10⁷-10¹⁶ Ом^.м. Для полупроводников характерна сильная зависимость проводимости от температуры, электрического поля, освещенности, сжатия и т.д.

В электронике наиболее широкое применение нашли германий, кремний, арсенид галлия, сульфид камия. В кристаллах германия связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами, которые образуют ковалентную связь.

В результате внешняя орбита для каждого атома имеет как бы по восемь электронов и становится полностью заполненной. Полученная кристаллическая решетка является идеальной и полупроводники при Т-273⁰ являются идеальными изоляторами.

Error: Reference source not found

Рис. 1

Собственная проводимость полупроводников.

1. Гипотеза Планка. Энергия электрона в атоме может принимать определенные дискретные значения.

2. Принцип запрета Паули. Каждой орбите соответствует строго

определенный уровень энергии, или разрешенный энергетический уровень.

Таким образом в твердом теле имеются: валентная зона- образованная совокупностью энергетических уровней валентных электронов;

Зона проводимости- разрешенные уровни энергии, которые могут занимать электроны, получившие дополнительную энергию.

Эти энергетические зоны разделены промежутком, который не содержит энергетических уровеней. Такой промежуток принято называть запрещенной зоной (2). Шириной запрещенной зоны определяется электропроводимостью материала.

Error: Reference source not found

Рис. 2 –Энергетическая диаграмма материалов

1- валентная зона 2- запрещенная зона 3- зона проводимости

У проводника зона валентных электронов перекрывает зону проводимости.

У диэлектриков запрещенная зона велика, и следовательно для перехода валентных электронов в зону проводимости нужно сообщить энергию не менее 3 эВ. Для полупроводников запрещенная зона составляет 0,5…3 эВ.

Таким образом под действием внешних факторов вален. Электроны атомов кристаллической решетки разрывают ковалентные связи и переходят в зону проводимости. При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает свободное место, обладающее положительным зарядом равным заряду эл-на. Это место назвали дыркой, а процесс образования пары электрон-дверка получил название генерации зарядов. Процесс заполнения дверки получил название рекомбинации.

1.Error: Reference source not found

2. Error: Reference source not found

При отсутствии внешнего поля электроны и дырки перемещаются в кристалле хаотически. Если же на кристалл действует электрическое поле, движение электрических зарядов становится упорядоченным и в кристалле возникает электрический ток. В зависимости от носителей зарядов различаются два типа проводимостей: электронную, или проводимость типа n, и дырочную, или проводимость типа p.

В химически чистом кристалле число дырок равно числу свободных электронов и электрический ток в нем образует переносы как отрицательных так и положительных зарядов. Число свободных электронов в беспримененом германии равно см^-3.

Такая электронно-дырочная проводимость называется собственной проводимостьюполупроводника.

где - плотность тока А/см²;- плотность электронной составляющей тока;- плотность дырочной составляющей тока.

Примесная проводимость проводника.

В зависимости от примесей, вносимых в кристалл полупроводника, можно получить преобладание избыточных электронов или дырок.

Проводимость, вызванная внесением примесей, называется примесной.

Примеси, вызывающие в полупроводнике увеличение электронов, называются донорными, а вызывающие увеличение дырок – акцепторными.

Различное действие примесей объясняется следующим образом.

Пусть вводится мышьяк (пятивалентный) (рис.3).

Error: Reference source not found

Рис. 3

В этом случае атомы мышьяка своими четырьмя из 5 валентными электронами вступают в связь с атомами германия. Пятый электрон становится свободным.

Полупроводник с примесями, увеличивающих число свободных электронов называется полупроводник типа n.

Рис. 4

Введение в четырехвалентный полупроводник 3^хвалент ного элемента, например идия или алюминия, приводит к избытку дырок над свободными электронами (рис. 4).

Полупроводник, электропроводимость которого обусловлена движением дверок называется полупроводником типа p.

На энергетических диаграммах процесс образования избыточных элект ронов или дырок показан на рис. 5,6.

Error: Reference source not found

Рис. 5 рис.6