Лекция №1. Электрофизические свойства полупроводников.

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.

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.

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.

2.

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 проводимостью полупроводника.

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).

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^х валент 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.

Рис. 5 рис.6

Формирование электронно-дырочного перехода.

Электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводимость n-типа, а другая p-типа, называют электронно-дырочным, или p-n переходом.

рис. 7

Вследствие того, что концентрация электронов в n-области выше, чем в p-области, а концентрация в p-области выше, чем в n-области, на границе этих областей существует градиент концентрации носителей вызывающий диффузионный ток из n в p и из p в n

Плотность диффузионного тока элементов и дырок определяется следующими выражениями: , где и - коэффициенты диффузии. Для германия , .

рис. 8

Кроме основного тока существует ток и неосновных носителей 3,4.

Вследствие существенного различия в концентрациях основных и неосновных носителей, ток обусловленный основными носителями заряда , будет преобладать над током неосновных носителей.

Если бы электроны и дырки были нейтральными, то их концентрация выровнялась бы по всему объему кристалла. На самом же деле на границе раздела образуются два слоя противоположных по знаку зарядов. Область пространственных зарядов представляет собой p-n переход. Его ширина не превышает десятых долей микрометра. Пространственные заряды в переходе образуют электрическое поле направленное от положительно заряженных ионов к отрицательно заряженным.

Рис. 7

Это поле является тормозящим для основных носителей заряда и ускоряющим для неосновных.

Переход потенциала в переходе равен контактной разности потенциалов этот перепад обачно называют потенциальным бартером, так как он препятствует перемещению основних носителей заряда.

Следует отметить, что при комнатной температуре в изолированном полупроводнике плотность тока равна нулю, т.е.

Свойства p-n перехода при наличии внешнего напряжения.

При нарушении электронно-дырочного перехода внешним электрическим полем через него начинает протекать ток. Характер токопрохождения и величина тока оказываются разными в зависимости от полярности и приложенного напряжения.

Рассмотрим 1^ый случай, когда поле создаваемое напряжением, направлено навстречу собственному полю p-n перехода. Такие включения называют прямыми.

Рис. 8

Под действием внешнего поля электроны и дырки будут двигаться навстречу друг другу. При таком движении в объединенном слое n-p увеличивается концентрация носителей заряда, что приводит к уменьшению потенциального барьера и сопротивлению переходного слоя .

Таким образом в цепи установится ток. Нетрудно заметить, что преодолевшие потенциальный барьер носители заряда попадают в область полупроводника для которого они являются неосновными.

Этот процесс называется инжекцией.

Суммарный ток во всех точках полупроводника остается неизменным.

Рис. 9

Изменив полярность источника питания, мы тем самым увеличим потенциальный барьер за счет оттягивания основных носителей в глубь полупроводника. Для неосновных носителей потенциальный барьер в переходе отсутствует и они будут втягиваться полем в область p-n перехода. Это явление называется экстракцией. При обратном включении преобладающую родь играет дрейфовый ток, получивший название обратного тока.

Вольтамперная характеристика p-n перехода.

Вольтамперная характеристика показывает зависимость тока от проложенного напряжения. , где - обратный ток насыщения p-n перехода, - напряжение, - постоянная Больцмана Т⁰- температура.

При увеличении обратного напряжения происходит пробой p-n перехода. Различаются два вида прибоя электрический (обратимый) и тепловой (необратимый).

Рис. 10

Электрический прибой происходит в результате внутренней электростатической эмиссии и ударной ионизации атомов полупроводника (лавинный пробой).

Тепловой прибой связан с вырыванием электронов из ковалентных связей за счет тепловых колебаний кристаллической решетки. Тепловая генерация приводит к увеличению обратного тока. Увеличение тока приводит к дальнейшему повышению температуры полупроводника.

При чрезмерном нагреве перехода происходит изменение структуры кристалла и выхода его из строя. Если же при возникновении пробоя ток через p-n переход ограничен сопротивлением внешней цепи и мощность, выделяющая на переходе, невелика, то пробой обратим. В этом случае можно управлять обратным током путем изменения внешнего напряжения.

Анализ вольтамперной характеристики позволяет рассматривать переход как нелинейный элемент.

Сущность электростатической эмиссии заключается в том, что под действием сильного электрического поля электроны могут освобождаться из ковалентных связей и преодолеть не потенциальный барьер. Двигаясь с большей скоростью на участке p-n перехода, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизирую их. В результате чего появляются новые свободные электроны и дверки.