Файл: Электроника Ицкович Часть 1.pdf

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. Веще-

ства с меньшим сопротивлением (10

–6

–10

–4

 Ом см) относят к про-

водникам,  а  со  значительно  большим (10

10

–

18

10   Ом

⋅см) — к ди-

электрикам. Количество полупроводниковых материалов, извест-
ных в настоящее время, далеко превышает число металлов и ди-
электриков.  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 рос-
том 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 сопротивлени-

ем понимают сопротивление между гранями куба с длинной реб-
ра 1 см . 

1.2 

Структура

полупроводниковых

материалов

 
Полупроводниковые  материалы  имеют  кристаллическую 

решетку с регулярной структурой. Каждый кристалл можно раз-

7 

бить  на  множество  повторяющихся  однотипных  элементарных 
ячеек — структурных  молекул,  которые  подобно  химическим 
молекулам  состоят  из  нескольких  атомов.  Кристаллические  ре-
шетки  большинства  полупроводниковых  материалов,  например 
кремний, арсенид галлий, которые очень широко применяются в 
настоящее время, называются тетраэдрической или решеткой ти-
па  алмаза.  Такой  тип  решетки  характерен  для  всех  четырехва-
лентных элементов. 

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. 

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 

8 

стрелками.  Объединение  электронов  следует  понимать  так:  пара 
электронов, обведенная на рис. 1.2 пунктиром, в равной степени 
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 дырка 
ведет себя подобно частице с положительным элементарным за-

9 

рядом. Она, так же как электрон, совершает движение в течение 
некоторого  времени  после  своего  появления  (времени  жизни),  а 
затем рекомбинирует с одним из свободных электронов. 

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  заме-
щения  пустых  мест  электронами,  принадлежащими  разным  ато-
мам.  Допустим,  в  результате  воздействия  фонона  образовалась 
исходная дырка в атоме 1. Образовавшаяся дырка замещается од-
ним 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 заме-
щение пустых мест эквивалентно хаотическому движению заряда 
с  положительным  единичным  зарядом.  Таким  образом,  можно 
считать,  что  в  полупроводниках  имеются  два  типа  подвижных 
носителей  заряда — электроны  и  дырки.  При  нагревании  абсо-
лютно чистого и однородного полупроводника, который называ-
ют собственным, свободные электроны и дырки всегда образуют-
ся  парами,  что  хорошо  видно  из  рис. 1.3. Число  этих  пар  в  ста-
ционарном  режиме  определяется  процессами  термогенерации  и 
рекомбинации носителей. Например, с повышением температуры 
растет  число  фононов  с  энергией,  достаточной,  чтобы  увеличи-

10

лось число свободных электронов, а следовательно, и дырок, т.е. 
растет  скорость  термогенерации.  С  увеличением  числа  свобод-
ных электронов и дырок растет вероятность встречи электрона со 
свободной дыркой, что приводит к увеличению скорости реком-
бинации. В системе обеспечивается термодинамическое равнове-
сие.  Проводимость  собственного  полупроводника,  обусловлен-
ную  парными  носителями  теплового  происхождения,  называют 
собственной.  Проводимость,  обусловленную  наличием  примес-
ных  атомов,  нарушающих  структуру  кристаллической  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-