Полупроводниковые приборы.
Полупроводниками называют кристаллические или аморфные вещества, объемное сопротивление которых при комнатной температуре колеблется в пределах от 10-4 до 104 ом*см. Объемное сопротивление металлов находится в пределах от 10-6 до 10-4 ом*см, диэлектриков от 105 до 1022 ом*см. Следовательно, по величине сопротивления полупроводники занимают промежуточное место между проводниками (металлами) и непроводниками (диэлектриками).
Для полупроводников характерна сильная зависимость сопротивления от температуры, напряженности электрического и магнитного полей, освещенности, механических напряжений, воздействия электромагнитных излучений и т. п.
Большинство полупроводников имеет кристаллическую структуру. Атомы химических элементов состоят из ядра, вокруг которого по эллиптическим орбитам вращаются «планетарные» электроны. Число электронов в электронной оболочке атома равно порядковому номеру химического элемента в периодической таблице Менделеева. «Планетарные» электроны образуют несколько слоев вокруг ядра атома. Электроны каждого слоя обладают кинетической энергией одного порядка.
В последнем, внешнем слое, в котором находятся валентные электроны, число электронов не может быть больше восьми. Валентные электроны определяют химические и физические свойства вещества, так как легко вступают во взаимодействие с валентными электронами атомов других веществ.
Энергия электрона, входящего в электронную оболочку атома, может изменяться не непрерывно, а скачками.
Минимальное приращение энергии электрона равно одному кванту.
Структура атома кремния в плоскостном изображении на рисунке 1.
Рис. 1
Поведение электронов в атоме лучше всего показывает зонная теория. Валентные электроны, входящие в состав внешней электронной оболочки атома, обладают наибольшей энергией по сравнению со всеми остальными электронами атома и под действием внешних факторов (температуры, освещенности) могут переходить на еще более высокие энергетические уровни, соответствующие зоне проводимости I. Обладая энергией, соответствующей зоне проводимости, электроны становятся свободными, т. е. теряют связь с ядром атома. Направленное перемещение свободных электронов между атомами вещества называется током электронной элекропроводности.
Металлы отличаются полным отсутствием запрещенной зоны (рис. 2) а между валентной зоной III и зоной проводимости I и поэтому имеют хорошую электропроводность. В узлах кристаллической решетки металлов находятся положительные ионы, а валентные электроны образуют так называемый электронный газ.
Рис. 2
В диэлектриках ширина запрещенной зоны II между валентной зоной III и зоной проводимости I небольшая. (рис.3). Электроны не переходят в зону проводимости, атомы кристаллической решетки остаются нейтральными, т. е. валентные электроны остаются на своих орбитах, и вещество не проводит электрический ток. В полупроводниках запрещенная зона II настолько мала, что даже при комнатной температуре часть валентных электронов валентной зоны III переходит в зону проводимости. Наиболее широкое применение в полупроводниковых приборах нашли кристаллы германия и кремния.
Атомы германия и кремния четырехвалентные, т. е. имеют по четыре валентных электрона во внешней электронной оболочке. Атом германия имеет 32 электрона, вращающихся вокруг ядра, а атом кремния только 14. Поскольку электропроводность полупроводника обусловлена исключительно явлениями, происходящими в валентной зоне и зоне проводимости, в дальнейшем будем рассматривать только валентные электроны, которых у атомов германия и кремния одинаковое количество.
Рис. 3
Ковалентной связью называют такую связь, при которой два валентных электрона принадлежащие двум соседним атомам, вращаются по одной общей орбите. Благодаря ковалентным связям атомы удерживаются в узлах кристаллической решетки.
При повышении температуры или ином внешнем энергетическом воздействии на полупроводник энергия электронов возрастает; все большая часть валентных электронов вследствие разрыва ковалентных связей переходит в зону проводимости, и поэтому электропроводность полупроводников увеличивается. Электропроводность полупроводников, обусловленную переходом валентных электронов в зону проводимости, называют электронной электропроводностью, или электропроводностью типа п.
Переход валентных электронов из валентной зоны в зону проводимости приводит к появлению в узлах кристаллической решетки положительных ионов. Это создает свободные энергетические уровни в валентной зоне, на которые могут переходить валентные электроны соседних атомов. Такое свободное место в валентной зоне называется дыркой. Дырка имеет положительный заряд, равный по величине заряду электрона. Переход валентных электронов от атома к атому «с орбиты на орбиту» можно рассматривать как перемещение дырок. Направленное перемещение дырок называют дырочной электропроводностью, или электропроводностью типа р.
Следовательно, электронная электропроводность обусловлена направленным движением электронов, а дырочная электропроводность перемещением дырок, вызванным направленным последовательным заполнением дырок валентными электронами.
Собственной электропроводностью называют направленное перемещение зарядов в химических чистых полупроводниках, не имеющих дефектов в кристаллической решетке. Собственная электропроводность полупроводников вызвана разрывами ковалентных связей и переходом валентных электронов в зону проводимости. В таких полупроводниках число валентных электронов, ушедших в зону проводимости, равно числу дырок, образовавшихся в результате ухода валентных электронов. Поэтому ток в полупроводниках с собственной электропроводностью создается направленным движением свободных электронов и направленным перемещением дырок.
Собственная электропроводность, равная нулю при 0о К, сравнительно мала при комнатной температуре и резко увеличивается при температурах 60-200о С.
Свободные электроны и дырки называются носителями зарядов, так как их направленное перемещение приводит к появлению тока в полупроводнике.
Процесс возвращения свободных электронов из зоны проводимости в валентную зону, связанный с исчезновением носителей зарядов, называется рекомбинацией.
Причинами, вызывающими направленное движение носителей зарядов, могут быть внешнее электрическое поле и неравномерность концентрации носителей зарядов.
Примесные полупроводники с электронной электропроводностью.
Электропроводность полупроводников, вызванная введением в химически чистый кристалл атомов других элементов, называется примесной электропроводностью. В зависимости от характера вводимых в кристалл примесей различают примесные полупроводники с электронной электропроводностью, дырочной электропроводностью и компенсированные.
Если в кристаллическую решетку германия или кремния добавить в качестве примеси пятивалентное вещество, атомы которого имеют по пять валентных электронов (например, мышьяк, сурьма, фосфор), то атомы примеси займут соответствующие места в узлах кристаллической решетки германия или кремния. В этом случае четыре валентных электрона каждого атома примеси войдут в ковалентные связи с соседними атомами германия или кремния, а пятые валентные электроны будут очень слабо связаны с атомами.
Под действием тепловой энергии или внешнего электрического поля эти электроны легко переходят с локальных уровней в зону проводимости и создают электронную электропроводность полупроводника, или электропроводность типа n. Атомы примеси, дающие «избыточные» электроны кристаллу основного вещества называются донорами.
Атомы доноров становятся положительными ионами, расположенными в узлах кристаллической решетки.
При переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости в первой образуются дырки, которые также являются носителями заряда. Следовательно, в полупроводниках с электронной электропроводностью, кроме основных носителей зарядов - электронов, имеются неосновные носители заряда - дырки, при этом концентрация электронов значительно больше концентрации дырок.
Примесные полупроводники с дырочной электропроводностью.
Если в кристалл германия или кремния ввести в качестве примеси трехвалентное вещество (например, бор, индий, алюминий или галий), то одна из ковалентных связей в каждом атоме примеси окажется незанятой и на нее может перейти валентный электрон с соседнего атома основного вещества.
В атоме основного вещества образуется недостаток электрона (дырка), а атом примеси становится отрицательным ионом. Под действием электрического поля дырки будут перемещаться в направлении электрических силовых линий и создадут дырочную электропроводность. Атомы примеси, вызывающие увеличение числа дырок, называются акцепторами, так как они принимают валентные электроны основного вещества, образуя отрицательные ионы, и создают дырочную электропроводность.
В примесном полупроводнике с дырочной электропроводностью основными носителями зарядов являются дырки, образующиеся при переходе валентных электронов из атомов основного вещества в атомы акцепторной примеси, а неосновными носителями зарядов - электроны, переходящие из валентной зоны в зону проводимости в процессе термогенерации.
Концентрация дырок в примесном полупроводнике типа р значительно больше концентрации электронов.
Компенсированным называют полупроводник, в которой в равных количествах введены донорные и акцепторные примеси.
