ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 10206
Скачиваний: 26
11
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.
Атомы примеси могут по-разному располагаться в решетке
полупроводника. В полупроводнике примесные атомы замещают
основные атомы в узлах решетки.
Результаты такого замещения зависят от типа примеси. Если
ввести в германий атом пятивалентной сурьмы, то четыре из его
валентных электронов вступят в связь с четырьмя электронами
соседних атомов германия (рис. 1.5, а) и образуют устойчивую
оболочку из восьми электронов. Девятый электрон в этой комби-
нации оказывается слабо связанным с ядром, легко отрывается
фононами с энергией 10
–2
эВ
и делается свободным.
Примесный атом превращается в неподвижный ион с по-
ложительным единичным зарядом. Нельзя путать ион с дыр-
кой, т.к. ион неподвижен и не может изменить проводимость
полупроводникового материала. Свободные электроны при-
месного происхождения добавляются к собственным свободным
электронам, порожденным термогенерацией, и если число при-
месных атомов значительно превышает количество свободных
электронов, проводимость полупроводника делается преимуще-
ственно электронной. Такие полупроводники называются элек-
тронными или типа n.
Если ввести в германий атом трехвалентного индия, резуль-
тат будет другим. Для валентной связи индия с четырьмя сосед-
ними атомами германия требуется образование устойчивой вось-
миэлектронной оболочки, т.е. нужен дополнительный электрон.
Этот электрон отбирается из основной решетки (рис. 1.5, б) и,
будучи связанным, превращает атом индия в неподвижный от-
рицательный ион.
На том месте, откуда пришел электрон, образуется свобод-
ная дырка, которая добавляется к собственным дыркам, порож-
денным термогенерацией.
Полупроводники, в которых число дырок превышает коли-
чество электронов, т.е. имеют преимущественно дырочную про-
водимость, называются дырочными или типа р, а соответствую-
щие примеси — акцепторными «принимающими» электроны.
12
Рис. 1.5 — Замещение примесными атомами основных атомов в решетке:
а — донорная примесь (образуются свободный электрон и неподвижный
положительный ион), б — акцепторная примесь (образуются свободная
дырка и неподвижный отрицательный ион)
Sb
V
Свободный
электрон
+ Ион
In
111
Связанный
электрон
- Ион
Свободная
дырка
а)
б)
а
б
13
Отрыв «лишнего» электрона от донора и «недостающего»
электрона для акцептора требует затраты некоторой энергии
(энергия ионизации или активации примеси). При нулевой тем-
пературе (Т = 0° К) ионизация не может иметь места, и проводи-
мость равна нулю. С ростом температуры все большая часть
примесных атомов ионизирует. При относительно не высоких
температурах все атомы примесей оказываются ионизированны-
ми, и дальнейшее увеличение температуры приводит к увеличе-
нию только собственных электронов и дырок, что приводит к
увеличению собственной проводимости.
В примесных полупроводниках количество одного типа
подвижных зарядов значительно больше другого. Носители под-
вижного заряда, которые составляют большинство, называют ос-
новными, а те, которые составляют меньшинство, — неосновны-
ми. Таким образом, основными носителями могут быть как элек-
троны, так и дырки.
Так, в полупроводнике p типа основные носители — дырки,
неосновные — электроны.
1.3
Энергетические
зоны
твердого
тела
Количественный анализ полупроводников и полупроводни-
ковых приборов базируется на зонной теории твердого тела.
В невозбужденном состоянии атома его верхние уровни все-
гда свободны. Твердое тело представляет собой множество ато-
мов, сильно взаимодействующих благодаря малым межатомным
расстояниям. Поэтому всю совокупность атомов в некотором
объеме твердого тела следует рассматривать как единое целое,
как гигантскую молекулу, которая подобно атому характеризует-
ся некоторым единым для всего тела энергетическим спектром.
Для кристалла с межатомным расстоянием
o
d
получается
зонная диаграмма, показанная на рис. 1.6, в которой разрешенные
зоны чередуются с запрещенной зоной. Ширина тех и других
обычно не превышает нескольких электрон-вольт и не зависит от
числа атомов в твердом теле, т.е. от его размеров. Строго говоря,
разрешенные зоны имеют дискретную структуру и состоят из
стольких уровней, сколько атомов имеется в данном теле.
14
Количество атомов даже в микроскопических объемах на-
столько велико, что энергетические расстояния между уровнями
зоны в реальных случаях чрезвычайно малы, т.е. разрешенные
зоны практически можно считать сплошными. Энергетические
«расстояния» между разрешенными зонами (т.е. ширина запре-
щенных зон) определяются энергией связи электронов с атомами
решетки. Граничные энергетические уровни, образующие «дно»
и «потолок» каждой разрешенной зоны, соответствуют потенци-
альной энергии электронов, их неподвижному состоянию.
Любой уровень, расположенный внутри разрешённой зоны,
соответствует сумме потенциальной и кинетической энергий.
Иначе говоря, кинетическая энергия электронов возрастает
по мере удаления от границы в глубь зоны и достигает мак-
симума в ее средней части. Проводимость в твердом теле воз-
можна лишь тогда, когда происходит переход электрона на дру-
гой энергетический уровень. Значит, в проводимости могут уча-
ствовать электроны только тех зон, в которых есть свободные
уровни. Такие свободные уровни всегда имеются в верхней раз-
решенной зоне. Верхнюю зону твёрдого тела, не заполненную
(или не полностью заполненную) электронами при нулевой абсо-
лютной температуре, называют зоной проводимости, а ближай-
шую к ней разрешенную зону называют валентной.
При температуре абсолютного нуля валентная зона полно-
стью заполнена, и, следовательно, электроны этой зоны не влияют
на проводимость. Но при температуре, отличной от нуля, в верх-
ней части валентной зоны образуются свободные уровни, и эта зо-
на также может обусловить проводимость. Следовательно, все ос-
новные процессы в полупроводниковых материалах и приборах
можно изучить, анализируя процессы, которые протекают между
двумя смежными зонами: зоной проводимости и валентной.
Зонная структура твердого тела лежит в основе классифика-
ции металлов, полупроводников и диэлектриков (рис. 1.6).
У металлов, как видно из рис. 1.6, зона проводимости и ва-
лентная зона взаимно перекрываются, поэтому даже при темпе-
ратуре абсолютного нуля в зоне проводимости находится значи-
тельное количество электронов и, следовательно, имеет место
проводимость. У полупроводников и диэлектриков при T=0
0
K
зона проводимости пуста и проводимость отсутствует; в этом их
15
качественное отличие от металлов. Различия же между полупро-
водниками и диэлектриками в основном количественные и обу-
словлены значительно большей шириной запрещенной зоны у
диэлектриков. Поскольку зона проводимости практически
сплошная, энергия электронов в этой зоне может меняться непре-
рывно, как у изолированных электронов в вакууме, поэтому элек-
троны в зоне проводимости называются свободными. Термин
«свободный» характеризует возможность перемещения электрона
внутри твердого тела, но не возможность его вылета за пределы
кристалла.
Металл
Полупроводник
Диэлектрик
Валентная
зона
Валентная
зона
Запрещен.
зона
Запрещен.
зона
а
б
в
Валентная
зона
Зона
проводимости
Зона
проводимости
Зона
проводимости
Рис. 1.6 — Зонная структура при Т = 0° К:
а — металла; б — полупроводника; в — диэлектрика
Совокупность электронов в твердом теле можно уподобить
электронному газу, который заключен в «сосуд», образованный
внешними гранями кристалла. Такое сравнение является чисто
условным, т.к. характеристики электронов в вакууме и в твердом
теле принципиально отличаются, например, дрейфовые скорости
электронов при одной и той же напряженности электрического
поля в вакууме и твердом теле существенно отличаются.