41

Глава I. Радиокомпоненты на основе полупроводниковых материалов

Радиокомпонентами называются элементы аппаратуры, выполняющие, в соответствии со схемным назначением, функции увеличения сопротивления проходящему току, накопления заряда и электромагнитной энергии, генерации, задержки, преобразования электрических сигналов и другие.

Работа элементов электронных схем основана на движении свободных носителей заряда в вакууме, газах, твердых кристаллических или аморфных телах.

Активными называются компоненты, у которых свойства зависят от внешних факторов, например, напряжения, температуры, облучения и т.п. Вольтамперные характеристики активных компонентов нелинейны.

Самое широкое распространение получили активные компоненты, созданные на основе полупроводниковых материалов. Рассмотрим свойства полупроводниковых материалов и предпосылки для создания различных радиокомпонентов на их основе.

1.1. Свойства полупроводников

1.1.1. Образование носителей заряда в полупроводниках

Полупроводники занимают по электропроводности промежуточное положение между металлами (проводниками) и диэлектриками [3].

Наиболее распространенные полупроводники: германий (Ge) и кремний (Si) относятся к элементам IY группы, т.е. имеют валентностью 4. Эти материалы  кристаллические тела, в узлах решетки которых находятся нейтральные атомы.

При Т = 0 К свободных носителей заряда в полупроводниках нет, и поэтому электрическая проводимость материала отсутствует.

1.1.1.1. Собственные полупроводники

Собственными полупроводниками называются технологически очищенные полупроводниковые материалы, у которых содержание примесей минимально.

Рассмотрим процесс образования свободных носителей заряда в собственных полупроводниках, за счет которых может реализоваться процесс проводимости полупроводников.

На рис. 1.1, а-в показана упрощенная структура кристаллической решетки кремния, где ковалентные связи, образованные валентными электронами, обозначены двойными линиями.

Рис. 1.1. Реальный процесс образования носителей заряда (а, б, в) в полупроводнике и зонные диаграммы (г, д, е), описывающие этот процесс

В собственных полупроводниках собственные носители заряда  электроны образуются за счет процесса генерации (термогенерации)  отрыва валентных электронов от узла при Т > 0 K (рис. 1, а, переход I). Вероятность ионизации возрастает с ростом температуры. Следует учитывать, что при ионизации собственных атомов в узлах кристаллической решетки накапливаются неподвижные положительные ионы из-за образования разорванной химической связи (ухода электронов). Однако положительный ион может захватить электрон от соседнего атома (переход Y), превратившись в нейтральный атом, но фактически ион переместится в другую область кристалла. Подобный процесс перемещения электронов от одного атома к другому отождествляется со свободным подвижным положительным зарядом – дыркой, способной перемещаться по кристаллу. Очевидно, что концентрация свободных электронов n_i равна концентрации собственных дырок p_i. В частности, при комнатной температуре (Т = 300 К) концентрация собственных носителей заряда в германии равна примерно n_i = p_i= 10¹⁹ м^3, кремнии  n_i = p_i=10¹⁶ м^3, т.е. концентрация собственных носителей в германии на три порядка выше.

Заметим, что при комнатных температурах электропроводность собственных полупроводников относительно мала за счет малой концентрации собственных носителей заряда.

На основе квантовой теории полупроводников, связывающей их электрические, оптические и другие свойства с энергией, скоростью, концентрацией носителей заряда, создана зонная теория полупроводников  теоретическая модель, энергетически описывающая подобную взаимосвязь.

В терминах зонной теории говорится, что подвижные носители заряда (электроны и дырки) могут находиться на определенных (разрешенных квантовой механикой) энергетических уровнях, совокупность которых образует разрешенные и запрещенные зоны энергий. Другими словами, реально электроны и дырки в процессе своего передвижения по кристаллу могут иметь лишь определенные значения энергии, а значит, и скорости.

Поведение носителей заряда, и, соответственно, электрофизические свойства полупроводников, описываются графиком зависимости энергии Е(X) носителей (как свободных, так и связанных) заряда от координаты Х вдоль кристалла. Подобные графики, обычно называемые зонная диаграмма, изображены на рис. 1.1, г-е.

На оси энергий выделяются три диапазона, отделяемых друг от друга значениями: Е_в – потолок валентной зоны; Е_пр  дно зона проводимости.

Валентная зона энергий (далее, просто: валентная зона, ВЗ)  диапазон значений энергий (Е < Е_в), которыми характеризуются, с одной стороны, электроны, связанные с узлами собственных атомов. Эти электроны называются связанными носителями заряда, их энергия возрастает вверх. С другой стороны, подобным диапазоном энергии характеризуются дырки, как свободные носители заряда, образованные в результате ухода электронов из валентной зоны в результате термогенерации (рис. 1.1, г, переход I). Энергия свободных дырок возрастает вниз (переход Y).

Зона проводимости (ЗП) – диапазон значений энергий (Е > Е_пр), которыми обладают свободные электроны  носители заряда, появившиеся в процессе процесса генерации.

Запрещенная зона энергий (далее, просто: запрещенная зона, ЗЗ) диапазон энергий (Е_пр > Е > Е_в), которые запрещены (квантовой теорией). Другими словами, в полупроводнике нет свободных носителей заряда с энергиями в диапазоне Е_пр > Е > Е_в.

Согласно зонной теории, в процессе генерации собственных носителей заряда (рис. 1.1, а, г, переход I) для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости требуется сообщить электрону энергию, большую, чем E_з.

Ширина запрещенной зоны, равная

E_з = Е_пр  Е_в,

у германия (Ge)  0,72 эВ, у кремния (Si)  1,12 эВ.

С точки зрения зонной теории процесс образования пары электрон-дырка (термогенерация собственных носителей заряда, переход I) описывается следующим образом. По мере увеличения температуры возрастает вероятность генерации собственных носителей заряда (пары электрондырка), т.к. электроны получают энергию, достаточную, чтобы преодолеть запрещенную зону и перейти из валентной зоны в зону проводимости (переход I). В терминах зонной теории говорится, что при уходе электрона из валентной зоны в ней появляется дырка. В реальности следует учитывать, что в нормальном (не возбужденном) состоянии атом электрически нейтрален, поэтому уход одного электрона приводит к тому, что узел (атом) приобретает положительный заряд. Данное вакантное место (в химической связи узла) может передвигаться – так образуется и передвигается дырка как свободный носитель заряда. Вероятность образования свободных носителей заряда увеличивается по мере уменьшения ширины запрещенной зоны E_з.

Таким образом, в кристалле возможно независимое друг от друга перемещение, как свободных электронов (отрицательных зарядов), так и дырок (положительных зарядов).

Одновременно с процессом генерации носителей заряда протекает процесс их рекомбинации (рис. 1.1, г, переход IY). Реально это - захват электронов собственными ионизированными атомами германия или кремния (встреча электронов с дырками). В терминах зонной диаграммы процесс рекомбинации отождествляется с возвратом электрона из зоны проводимости в валентную зону. В результате подобного процесса электронно-дырочная пара исчезает, но выделяется энергия, величиной не менее значения ширины запрещенной зоны. Рекомбинация может быть фононной, в результате чего полупроводник нагревается, или фотонной, в процессе которой происходим образование квантов света (см. светодиоды).

Среднее время между моментами генерации и рекомбинации называется временем жизни  носителей заряда. За счет рекомбинации концентрация свободных носителей зарядов может уменьшаться. При стационарных условиях и постоянной температуре благодаря непрерывной тепловой генерации и рекомбинации концентрация свободных носителей заряда в полупроводнике остается постоянной.

Итак, по мере увеличения температуры и возрастания вероятности тепловой генерации концентрация свободных носителей, а значит, и электропроводность возрастают экспоненциально.