Вводные замечания. Большая группа материалов с электронной п и дырочной р проводимостью, удельное сопротивление r которых при температуре 20 °С больше
Большая группа материалов с электронной п и дырочной р проводимостью, удельное сопротивление r которых при температуре 20 °С больше, чем у проводников, но меньше, чем у диэлектриков, относится к полупроводникам. С точки зрения зонной теории твердого тела, к полупроводникам относятся те материалы, ширина запрещенной зоны (33)которых имеет величину в пределах от 0,05 до 3 эВ. Электрофизические характеристики полупроводниковых материалов зависят не только от их природы, но и от интенсивности внешнего энергетического воздействия, природы и концентрации легирующей примеси – примеси, которую специально вводят в полупроводниковый материал для создания определенного типа и величины электропроводности. Полупроводниковый материал, используемый для изготовления приборов, должен иметь очень высокую степень чистоты. Управляемость удельной электропроводностью полупроводниковых материалов посредством температуры, света, электрического поля, механического напряжения положена в основу принципа действия соответствующих приборов: терморезисторов, фоторезисторов, нелинейных резисторов (вариаторов), тензорезисторов и т.д. Наличие двух или более взаимно связанных p - n -переходов образуют управляемые системы – кристаллические транзисторы и тиристоры. Полупроводниковые системы широко используют для преобразования различных видов энергии в электрическую и наоборот. Величина и тип электропроводности полупроводников зависят от природы и концентрации примеси, в том числе специально введенной (легирующей). Концентрация легирующей примеси обычно незначительна, например у Ge она составляет один атом на 1010–1012 атомов полупроводника. В этой связи все полупроводники можно разбить на две группы: собственные и примесные. Собственные полупроводники не содержат легирующие примеси; к ним относятся высокой степени чистоты простые полупроводники: кремний Si, германий Ge, селен Se, теллур Те и др. и многие полупроводниковые химические соединения: арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, арсенид индия InAs и др. Примесные полупроводники всегда содержат донорную или акцепторную примесь. В производстве полупроводниковых приборов примесные полупроводники используют чаще, поскольку в них свободные носители заряда образуются при более низких температурах (чем в собственных полупроводниках), которые отвечают рабочему интервалу температур полупроводникового прибора. Электропроводность собственных полупроводников. В собственных полупроводниках при достаточности тепловой энергии решетки илив результате внешнего энергетического воздействия электрон(ы) перейдет(ут) из валентной зоны (ВЗ)в зону проводимости (ЗП) истанет(ут) свободным(и). Необходимая для этого перехода энергия определяется шириной запрещенной зоны (33) –D W полупроводника. При комнатной температуре эта энергия может возникать вследствие флуктуации тепловых колебаний решетки (средней тепловой энергии решетки для такого перехода недостаточно). С уходом электрона в ЗПв валентной зоне остается свободным энергетический уровень, называемый дыркой, а сама ВЗстановится не полностью заполненной (рис. П.1, а). Электрон имеет отрицательный заряд, дырку принято считать положительно заряженной частицей, численно равной заряду электрона.
Рис. П.1.Энергетические диаграммы полупроводников: а – полупроводник без лигирующей примеси; б – полупроводник (p- типа) с акцепторной примесью; в – полупроводник (n -типа) с донорной примесью; D W a – энергия активации (образования) дырок в ВЗ полупроводника за счет перехода электронов на уровни акцепторной примеси; D W д – энергия активации электронов – энергия, необходимая для перехода электронов с уровней донорной примеси в ЗПполупроводника
Таким образом, в кристалле образуется пара свободных носителей заряда — электрон в ЗП и дырка в ВЗ, которые и создают собственную электропроводность полупроводника, тип которой электронно-дырочный. В отсутствие внешнего электрического поля электрон и дырка совершают тепловые хаотические движения в пределах кристалла, а под действием поля осуществляют дополнительно направленное движение – дрейф, обусловливая тем самым электрический ток. Если концентрации свободных электронов и дырок равны между собой, то подвижность у них различна. В результате более низких значений эффективной массы и инерционности при движении в поле кристаллической решетки свободные электроны более подвижны, чем дырки. Поэтому собственная электропроводность полупроводников имеет слабо преобладающий электронный тип. Электропроводность примесных полупроводников. В примесных полупроводниках атомы примеси либо поставляют электроны в ЗПполупроводника, либо принимают их с уровнейВЗ. Эти переходы электронов осуществляются при существенно меньших затратах энергии, которые требуются электронам для преодоления потенциального барьера в виде 33полупроводника. Поэтому эти виды переходов в примесных полупроводниках являются основными, доминирующими над переходом электронов из ВЗ в ЗП. Атомы примеси, размещаясь в запрещенной зоне полупроводника, создают в пределах этой зоны дискретные энергетические уровни либо у нижнего ее края вблизи к ВЗ,либо – у верхнего, вблизи к 3П(см. рис. П.1, б, в). Вследствие своей малой концентрации атомы примеси располагаются в решетке полупроводника на очень больших расстояниях друг от друга, поэтому между собой не взаимодействуют.
|