Часть 1

Из последней формулы видно, что скорость электрона в электрическом поле определяется только величиной напряжения между двумя точками поля, и поэтому скорость электрона иногда характеризуют этим напряжением.

1.2.2. Движение электрона в тормозящем электрическом поле

На рис. 1.5 приведена схема движения электрона в тормозящем электрическом поле.

Рис. 1.5. Движение электрона в тормозящем электрическом поле

Под действием силы Р электрон будет двигаться равнозамедленно, в какой-то точке поля он остановится и начнет двигаться в обратном направлении. Электрическое поле, линии напряженности которого совпадают по направлению с вектором начальной скорости электрона, называется тормозящим электрическим полем.

1.2.3. Движение электрона в поперечном электрическом поле

Поперечным электрическим полем называется поле, линии напряженности которого перпендикулярны вектору начальной скорости электрона.

На рис. 1.6 приведена схема движения электрона в поперечном электрическом поле.

21

Рис. 1.6. Движение электрона в поперечном электрическом поле

За счет действия силы Р возникает вертикальная составляющая скорости электрона, которая будет все время увеличиваться. Начальная скорость u0 остается постоянной, в результате чего траектория движения электрона будет представлять собой параболу. При вылете электрона за пределы действия поля он будет двигаться по прямой.

1.2.4. Движение электрона в магнитных полях

F = B∙e∙u0∙sin(a) – сила Лоренца.

При α = 90° получим sin(a) = 1.

При α = 90° траектория будет представлять собой дугу окружности. На рис. 1.7 даны пояснения к движению электрона в поперечном

магнитном поле.

Рис. 1.7. Пояснения к движению электрона в поперечном магнитном поле

Когда α ¹ 90°, вектор скорости электрона можно разложить на две составляющие – поперечную и продольную относительно направления

22

магнитных силовых линий. Под действием поперечной составляющей электрон будет двигаться по окружности, а под действием продольной составляющей – поступательно. В результате траектория будет представлять собой спираль.

1.2.5. Физические основы полупроводниковых материалов. Зонная энергетическая диаграмма

К полупроводникам относятся твердые тела, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

У полупроводников удельное сопротивление при комнатной температуре изменяется в широких пределах, от 10-4 до 1010 Ом∙см. У металлов удельное сопротивление меньше 10-4 Ом∙см. К диэлектрикам относятся твердые тела, у которых удельное сопротивление больше 1010 Ом∙см.

Отличительной особенностью полупроводников является сильная зависимость удельного сопротивления от внешних факторов: температуры, концентрации примесей, действия света и ионизирующих излучений.

Количество веществ, обладающих полупроводниковыми свойствами, превышает количество металлов и диэлектриков. Для создания современных полупроводниковых приборов в качестве исходного материала применяются элементарные полупроводники: германий Ge, кремний Si, селен Se, теллур Те; соединения AIIIBV (АIII – элементы третьей группы таблицы Менделеева, BV – элементы пятой группы): арсенид галлия GaAs, арсенид индия InAs, фосфид галлия GaP, карбид кремния SiC.

Каждый электрон, входящий в состав атома, обладает определенной энергией или занимает определенный энергетический уровень. Структуры атомов различных элементов имеют оболочки, полностью заполненные электронами (внутренние) и не заполненные (внешние).

Электроны внешней оболочки атома называются валентными. Взаимное притяжение атомов осуществляется за счет общей пары валентных электронов (ковалентной связи), вращающихся по одной орбите вокруг этих атомов. Валентные электроны как наиболее удаленные от ядра имеют с ним наиболее слабую связь и поэтому под воздействием электрического поля, теплоты, света и других причин могут отделяться от атома или молекулы и становиться свободными.

Процесс отрыва и удаления одного или нескольких электронов от атома или молекулы называется ионизацией.

Электроны в атоме обладают только вполне определенными значениями энергии, составляющими совокупность дискретных уровней энер-

23

гии атома. В твердом теле при образовании кристаллической решетки благодаря взаимодействию атомов энергетические уровни расщепляются и образуют энергетические зоны, состоящие из отдельных, близко расположенных по энергии уровней, число которых соответствует числу однородных атомов в данном теле. Совокупность уровней, на каждом из которых могут находиться электроны, называют разрешенной зоной.

В энергетическом спектре твердого тела можно выделить три зоны: заполненную (разрешенную), запрещенную и проводимости.

Разрешенная зона характеризуется тем, что все энергетические уровни валентных электронов при температуре 0 К заполнены ими. Верхнюю заполненную зону называют валентной. Зона проводимости характеризуется наличием электронов, обладающих энергией, которая позволяет им освобождаться от связи с атомами и передвигаться внутри твердого тела под действием внешнего воздействия (например, электрического поля).

Запрещенная зона характеризуется тем, что в ее пределах нет энергетических уровней, на которых могли бы находиться электроны даже в идеальном кристалле.

Ширина запрещенной зоны для большинства полупроводников составляет 0,1...3 эВ, а у полупроводников, предназначенных для создания высокотемпературных приборов – 6 эВ. Для германия эта величина равна 0,72 эВ, для кремния – 1,12, для арсенида галлия – 1,4, для карбида кремния – 2,3...3,1, для фосфида галлия – 2,2 эВ.

Если ширина запрещенной зоны W3 > 6 эВ, то при обычных условиях электроны практически не попадают в зону проводимости, в связи с чем такое вещество не проводит электрического тока и называется диэлектриком. У металлов и их сплавов запрещенная зона отсутствует, так как у них зона проводимости и валентная зона перекрываются. Такие вещества обладают хорошей проводимостью и называются проводниками. В полупроводниках при температуре, отличной от нуля, часть электронов обладает энергией, достаточной для перехода в зону проводимости. Электроны в зоне проводимости становятся свободными, их концентрация в собственном полупроводнике обозначается ni.

Уход электрона из валентной зоны приводит к разрыву ковалентной связи и образованию в этой зоне незаполненного (свободного) энергетического уровня (положительного заряда), называемого дыркой. Концентрация дырок в собственном полупроводнике обозначается pi. Валентные электроны соседних атомов под воздействием электрического поля могут переходить на свободные уровни, создавая дырки в другом месте. При

24

этом движение электронов можно рассматривать и как движение положительных зарядов – дырок.

Уабсолютно чистого и однородного полупроводника (концентрация примесей настолько мала, что не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника) при температуре, отличной от 0 К, образуются свободные электроны и дырки. Процесс образования пар электрон – дырка называется генерацией. После своего возникновения дырка под действием тепловой энергии совершает хаотическое движение в валентной зоне так же, как электрон в зоне проводимости. При этом возможен процесс захвата электронов зоны проводимости дырками валентной зоны. Разорванные ковалентные связи восстанавливаются, а носители заряда – электрон и дырка – исчезают. Процесс исчезновения пар электрон – дырка называется рекомбинацией. Он сопровождается выделением энергии, которая идет на нагрев кристаллической решетки и частично излучается во внешнюю среду.

Промежуток времени с момента генерации носителя до его исчезновения (рекомбинации) называется временем жизни носителя τ, а расстояние, пройденное носителем заряда за время жизни, – диффузионной длиной L. Более строго диффузионная длина определяется как расстояние, на котором концентрация носителей уменьшается в е раз (е = 2,7).

Упроводников большое количество свободных электронов, у диэлектриков валентные электроны удерживаются ковалентными связями, у полупроводников структура как у диэлектриков, но ковалентные связи значительно слабее. Достаточно сравнительно небольшого количества энергии, получаемой из внешней среды (температура, освещенность, сильное электрическое поле), чтобы электроны полупроводника разорвали ковалентные связи и стали свободными.

∙Диапазон энергий, в котором лежит энергия электрона, удерживаемого ковалентной связью, называется зоной валентности, или валентной зоной.

∙Диапазон энергий, в котором лежит энергия электрона, разорвавшего ковалентную связь и ставшего свободным, называется зоной проводимости.

∙Графическое изображение этих энергетических зон называется зонной энергетической диаграммой (рис. 1.8, 1.9).

25

0,1...6 эВ

Рис. 1.8. Зонная энергетическая диаграмма полупроводников

Более 6 эВ

Рис. 1.9. Зонные энергетические диаграммы диэлектриков (слева) и проводников (справа)

Для того чтобы электрон смог разорвать ковалентную связь и стать свободным, он должен получить энергию, большую ширины запрещенной зоны.

1.3.Электропроводность полупроводников

1.3.1.Собственная проводимость полупроводников

Собственным полупроводником, или же полупроводником i-типа называется идеально химически чистый полупроводник с однородной кристаллической решеткой.

Ge

4-х валентны

Si

Кристаллическая структура кремния приведена на рис. 1.10.

26

Рис. 1.10. Процесс образования и перемещения носителей в собственном полупроводнике

Если электрон получил энергию, большую ширины запрещенной зоны, он разрывает ковалентную связь и становится свободным. На его месте образуется вакансия, которая имеет положительный заряд, равный по величине заряду электрона, называемая дыркой. В полупроводнике i-типа концентрация электронов ni равна концентрации дырок рi. То есть ni = рi.

Как уже отмечалось ранее, процесс образования пары зарядов электрон – дырка называется генерацией заряда.

Свободный электрон может занимать место дырки, восстанавливая ковалентную связь и при этом излучая избыток энергии (рекомбинация). В процессе рекомбинации и генерации зарядов дырка как бы движется в обратную сторону от направления движения электронов, поэтому дырку принято считать подвижным положительным носителем заряда. Дырки и свободные электроны, образующиеся в результате генерации носителей заряда, называются собственными носителями заряда, а проводимость полупроводника за счет собственных носителей заряда называется собственной проводимостью проводника.

1.3.2. Примесная проводимость полупроводников

Так как у полупроводников i-типа проводимость существенно зависит от внешних условий, в полупроводниковых приборах применяются примесные полупроводники. Процесс введения примесей называют леги- рованием, степень легирования определяет удельное сопротивление полупроводника, как правило, чем больше примесей, тем выше проводимость.

Если в полупроводник ввести пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона восстанавливают ковалентные связи с атомами полупроводника, а пятый электрон остается свободным (рис. 1.11). За счет этого концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок.

27

∙Примесь, за счет которой ni > рi, называется донорной примесью.

∙Полупроводник, у которого ni > рi, называется полупроводником

сэлектронным типом проводимости, или полупроводником n-типа.

∙В полупроводнике n-типа электроны называются основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями заряда.

Рис. 1.11. Процесс образования полупроводника n-типа

При введении трехвалентной примеси три ее валентных электрона восстанавливают ковалентную связь с атомами полупроводника, а четвертая ковалентная связь оказывается невосстановленной (рис. 1.12), т.е. имеет место дырка. В результате этого концентрация дырок будет больше концентрации электронов.

∙Примесь, при которой рi > ni, называется акцепторной примесью.

∙Полупроводник, у которого рi > ni, называется полупроводником

сдырочным типом проводимости, или полупроводником р-типа.

∙В полупроводнике р-типа дырки называются основными носителями заряда, а электроны – неосновными носителями заряда.

Реальное количество примесей в полупроводнике составляет примерно 1015 1/см3.

Рис. 1.12. Процесс образования полупроводника p-типа

28

1.3.3. Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках

Дрейфовый ток в полупроводнике – это ток, возникающий за счет приложенного электрического поля. При этом электроны движутся навстречу линиям напряженности поля, а дырки – по направлению линий напряженности поля. Диффузионный ток – это ток, возникающий из-за неравномерной концентрации носителей заряда: n2 > n1, n2 – n1 = Dn (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Пояснение к образованию диффузионного тока

Отношение DDnx – это градиент неравномерности концентрации при-

месей. Величина диффузионного тока будет определяться градиентом не-

где Dр и Dn – коэффициенты диффузии.

Контрольные вопросы

1.Приведите классификацию электронных приборов.

2.Что такое типовой режим прибора и параметры режима? Какие виды параметров существуют?

3.На какой параметр прибора влияет превышение численного значения рекомендованного параметра?

4.Какие режимы называют статическими и динамическими?

29

5.Что такое характеристика (семейство характеристик) прибора? Как ее получить?

6.Что такое УГО и позиционное обозначение?

7.Расскажите о движении заряженных частиц в электрических полях. Приведите графические пояснения.

8.Как классифицируют материалы по степени электропровод-

ности?

9.Что происходит с удельным сопротивлением большинства проводников, полупроводников и диэлектриков при увеличении их температуры?

10.Каким численным значением удельного сопротивления характеризуют проводники и полупроводники?

11.Что такое валентность, ионизация, генерация, рекомбинация, время жизни, диффузионная длина, легирование?

12.Что такое зонная энергетическая диаграмма, запрещенная зона? Как она отличается у различных материалов по проводимости?

13.Что такое донорная и акцепторная примеси? Как обозначают полупроводники с соответствующим типом проводимости?

14.Какие токи называют дрейфовыми и диффузионными?

Список использованных литературных источников

1.Электронные приборы : учеб. для вузов / В. Н. Дулин, Н. А. Аваев и др. ; под ред. Г. Г. Шишкина. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Энерго-

атомиздат, 1989. – 496 с. : ил.

2.Галкин, В. И. Полупроводниковые приборы : справочник / В. И. Галкин, А. Л. Булычев, В. Л. Прохоренко. – 2-е изд., перераб. и доп. – Минск : Беларусь, 1987. – 285 с.

3.Москатов, Е. А. Электронная техника / Е. А. Москатов. – Таган-

рог, 2004. – 121 с.

4.Буланов, Ю. А. Основы электроники / Ю. А. Буланов, Г. И. Гла-

голев. – М. : «Высш. шк.», 1966. – 347 с. : ил.

30