ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 8130
Скачиваний: 20
6
1
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
1.1
Введение
К полупроводниковым материалам относят вещества, кото-
рые при комнатной температуре имеют удельное электрическое
сопротивление
ρ
в пределах от 10
–3
—10
–2
до 10
8
—10
9
Ом см.
Вещества с меньшим сопротивлением (10
–6
—10
–4
Ом см) относят
к проводникам, а со значительно большим (10
10
—
18
10
Ом
⋅см) —
к диэлектрикам. Количество полупроводниковых материалов, из-
вестных в настоящее время, превышает число металлов и диэлек-
триков. Полупроводниками являются химические элементы
(SI, Ge, Se), интерметаллические соединения (Insb, GаА), окислы
(
2
Cu O , ZnO), сульфиды (Сd, Zns), карбиды (SiС) и множество
других химических соединений.
Различие между диэлектриками и полупроводниками в ос-
новном количественное (удельное сопротивление у диэлектриков
значительно выше, больше ширина запрещенной зоны). Различие
же между металлами и полупроводниками не только в величине
удельных сопротивлений.
В отличие от чистых металлов сопротивление чистых полу-
проводников (понятие чистый полупроводник в некоторой степе-
ни условно) сильно зависит от температуры и, кроме того, с ро-
стом температуры не увеличивается, а уменьшается. При добавле-
нии примеси в чистый металл удельное сопротивление образую-
щегося сплава больше удельного сопротивления каждого из ком-
понентов, тогда как при добавлении примеси в чистый полупро-
водник его удельное сопротивление сильно уменьшается; напри-
мер,
5
10
−
% мышьяка в германии снижает сопротивление в 200 раз.
В полупроводниковой технике под удельным сопротивлением
понимают сопротивление между гранями куба с длинной ребра 1 см.
1.2
Структура
полупроводниковых
материалов
Полупроводниковые материалы имеют кристаллическую ре-
шетку с регулярной структурой. Каждый кристалл можно разбить
на множество повторяющихся однотипных элементарных ячеек —
7
структурных молекул, которые подобно химическим молекулам
состоят из нескольких атомов. Кристаллические решетки боль-
шинства полупроводниковых материалов, например кремния, ар-
сенид галлия, которые очень широко применяются в настоящее
время, называются тетраэдрической или решеткой типа алмаза.
Такой тип решетки характерен для всех четырехвалентных эле-
ментов.
В основе этой решетки лежит пространственная фигура — тет-
раэдр, в углах и центре которой расположены атомы (рис. 1.1, а).
Главная особенность тетраэдрической системы заключается
в том, что центральный атом расположен на одинаковых расстоя-
ниях от узловых атомов.
Каждый угловой атом в свою очередь служит центральным
атомом для других четырех ближайших атомов.
Si
Si
Si
Si
Si
а
б
Рис. 1.1 — Тетраэдрическая структура кристаллической решетки
а — элементарный тетраэдр; б — элементарная ячейка
Совокупность нескольких тетраэдров образует элементар-
ную ячейку (рис. 1.1, б) кубической формы с размером ребра
около 5,5 А (А — ангстрем).
Удобнее пользоваться плоским эквивалентом тетраэдриче-
ской структуры (рис. 1.2), в котором сохранена главная особен-
ность решетки типа алмаза — одинаковые расстояния между
смежными атомами. Связь атомов в рассматриваемой решетке
устанавливается вследствие наличия специфических обменных
сил, возникающих в результате попарного объединения валент-
ных электронов. Эти силы отражены на рис. 1.2 сходящимися
стрелками. Объединение электронов следует понимать так: пара
электронов, обведенная на рис. 1.2 пунктиром, в равной степени
8
принадлежит обоим атомам или, образно говоря, поочередно
примыкает то к одному, то к другому. Соответственно «в сред-
нем» каждый атом обладает устойчивой восьмиэлектронной обо-
лочкой. Такая связь атомов, при которой каждый из них остается
нейтральным, называется парно-электронной, ковалентной или
просто валентной.
Ge
Рис. 1.2 — «Плоский» эквивалент тетраэдрической
решетки с валентными связями атомов
Абсолютно однородная структура решетки (рис. 1.2) бывает
у кристалла только при температуре абсолютного нуля. По мере
нагревания полупроводника часть валентных связей нарушается
под действием тепловых колебаний атомов в узлах кристалличе-
ской решетки. В корпускулярной интерпретации носителями
энергии механических колебаний атомов являются фононы —
акустические аналоги световых фотонов. Поэтому можно сказать,
что при нагреве кристалла валентные связи нарушаются фонона-
ми, число и энергия которых растут с ростом температуры.
Нарушение валентных связей приводит к одновременному
образованию свободных электронов и пустых мест — дырок
в атомах, от которых оторвались электроны (рис. 1.3). Такая дыр-
ка ведет себя подобно частице с положительным элементарным
зарядом. Она, так же как электрон, совершает движение в течение
некоторого времени после своего появления (времени жизни),
а затем рекомбинирует с одним из свободных электронов.
9
Свободный
электрон
Дырка
Фонон
Ge
Рис. 1.3 — Процесс образования пары электрон-дырка
в решетке под действием фонона (или фотона)
На рис. 1.4 показана возможная схема движения дырки
в решетке полупроводника как результат последовательного за-
мещения пустых мест электронами, принадлежащими разным
атомам. Допустим, в результате воздействия фонона образова-
лась исходная дырка в атоме 1. Образовавшаяся дырка замещает-
ся одним из электронов атома 2 и тем самым «переходит» к атому
2; затем дырка в атоме 2 замещается одним из электронов атома 3
и тем самым «переходит» к атому 3 и т.д. Последовательное за-
мещение пустых мест эквивалентно хаотическому движению за-
ряда с положительным единичным зарядом. Таким образом,
можно считать, что в полупроводниках имеются два типа по-
движных носителей заряда — электроны и дырки. При нагрева-
нии абсолютно чистого и однородного полупроводника, который
называют собственным, свободные электроны и дырки всегда
образуются парами, что хорошо видно из рис. 1.3. Число этих пар
в стационарном режиме определяется процессами термогенера-
ции и рекомбинации носителей. Например, с повышением темпе-
ратуры растет число фононов с энергией, достаточной, чтобы
увеличилось число свободных электронов, а следовательно,
и дырок, т. е. растет скорость термогенерации. С увеличением
числа свободных электронов и дырок растет вероятность встречи
электрона со свободной дыркой, что приводит к увеличению
10
скорости рекомбинации. В системе обеспечивается термодина-
мическое равновесие. Проводимость собственного полупровод-
ника, обусловленную парными носителями теплового происхож-
дения, называют собственной. Проводимость, обусловленную
наличием примесных атомов, нарушающих структуру кристал-
лической решетки, называют примесной проводимостью.
2 атом
2 замещение
1 замещение
фонон
электрон
дырка
Si
1 атом
3 атом
Рис. 1.4 — Схема движения свободной дырки
в кристаллической решетке
В ряде случаев такие же последствия, как наличие примес-
ных атомов, могут вызывать различные дефекты решетки: избы-
ток одного из основных компонентов вещества, смещение неко-
торых атомов в узлах кристаллической решетки и др. Поэтому
иногда используется понятие — дефектная проводимость, т. е.
проводимость, которая возникает в полупроводниковом материа-
ле вследствие нарушения регулярности в кристаллической ре-
шетке.
Тепловые колебания решетки и образующиеся при этом фо-
ноны делятся на два типа: акустические (низкочастотные) и оп-
тические (высокочастотные) Первые являются результатом син-
фазных, а вторые — противофазных колебаний атомов в узлах
кристаллической решетки.