1) Элементарные полупроводники

В группу элементарных полупроводников входят 12 химических элементов, которые образуют компактную группу, расположенную в середине таблицы Д. И. Менделеева (рис.2.2).

Ge, Si, C - углерод (алмаз и графит), В, a-Sn (серое олово), Те, Se и другие.

Рис.2.3 Цифры в кружке справа от символа химического элемента обозначают ширину запрещенной зоны в кристалле данного химического элемента.

Важнейшие представители этой группы - Ge и Si имеют кристаллическую решетку типа алмаза (алмазоподобны) и образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов

2) Полупроводники аivвiv

Карбид кремния SiC-единств. пп., образуеый элементами IV группы. Структурные модификации: b-SiC (структура сфалерита); a-SiC (гексаген. структура), и пр. Тугоплавкий и широкозонный пп.

3) Полупроводники aivbVl,

Соединения типа A^IVB^Vl элементов IV и VI групп периодической системы с кристаллической структурой типа NaCl также обладают полупроводниковыми свойствами. Важнейшие представители - полупроводники PbS, PbSe, PbTe, SnTe, твердые растворы, наиболее известны Pb Sn_1-x Te, Pb_xSn_1-xSe.

4) Полупроводники aiiibv

Соединения типа A^IIIB^V элементов III и V групп периодической системы. Имеют в основном кристаллическую структуру типа сфалерита. Связь атомов в кристаллической решетке носит преимущественно ковалентный характер с некоторой долей (до 15%) ионной составляющей.

Важнейшие представители этой группы: GaAs, InP, InAs, InSb.

Многие полупроводниковые материалы типа А^IIIВ^V образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов -- тройных и более сложных (Ga_xAl_1-xAs, GaAs_xP_1-x, Ga_xIn₁__xP, Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y и т.п.), также являющихся важными.

5) Полупроводники aiibvi

Соединения типа A^IIB^VI с кристаллич. структурой типа сфалерита или вюрцита. Связь между атомами в решетке носит ковалентно-ионный характер (доля ионной составляющей достигает 45-60%).

Важнейшие представители этой группы полупроводниковых материалов- CdTe, CdS, ZnTe, ZnSe (Селенид цинка) , ZnO, ZnS.

Многие соед. типа A^IIB^VI образуют между собой непрерывный ряд твердых р-ров, характерными представителями к-рых являются Cd_xHg_1-xTe, Cd_xHg_1-xSe, CdTe_xSe_1-x.

Физ. св-ва соед. типа A^IIB^V1 в значительной мере определяются содержанием собственных точечных дефектов структуры, имеющих низкую энергию ионизации и проявляющих высокую электрическую активность.

***************

Si - Silicon

Ge – Germanium,

C – Carbon, Diamond (алмаз)

GaP - Gallium Phosphide GaAs - Gallium Arsenide GaSb - Gallium Antimonide

InSb - Indium Antimonide InP - Indium Phosphide InAs - Indium Arsenide

GaN - Gallium Nitride AlN - Aluminium Nitride

GaAs_1-xSb_x - Gallium Arsenide Antimonide Al_xGa_1-xAs - Aluminium Gallium Arsenide

Ga_xIn_1-xP - Gallium Indium Phosphide

Ga_xIn_1-xAs - Gallium Indium Arsenide

Ga_xIn_1-xSb - Gallium Indium Antimonide

InAs_1-xSb_x - Indium Arsenide Antimonide

Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y - Gallium Indium Arsenide Phosphide

Ga_xIn_1-xAs_ySb_1-y - Gallium Indium Arsenide Antimonide

Электронно-дырочная проводимость п/п

Основную роль в процессе объединения атомов в кристалл играют электроны внешних оболочек, так называемые валентные электроны.

Различают ионную, металлическую и ковалентную связи.

- при ионной связи валентные электроны перемещаются от одних атомов к другим. Как следствие, в структуре возникают ионы.

- при металлической связи кристаллическая решетка из положительно заряженных ионов окружена ²электронным газом².

- при ковалентной связи валентные электроны становятся общими для ближайших соседних атомов и начинают вращаться по новым молекулярным орбитам в виде электронных пар.( рис.2.3)

Твердые тела IV группы имеют ковалентную связь.

Кремний, германий и углерод (алмаз), являются элементами 4-ой группы периодической системы Менде­леева.

Известно, что количество электронов на орбите равно 2n².

У германия (14), т.о., 2, 8, 4 - не заполнено. У кремния (32), т.о., 2, 8, 18, 4 - не заполнено.

Это означает, что 4 электрона каждого атома являются валентными и участвуют в химических реакциях и процессах электропроводности.

Электроны, образующие ковалентную связь, находятся на связывающих орбитах, охватывающих по два атома, и, следовательно, каждый электрон принадлежит обоим атомам.

Ковалентные кристаллы высокой чистоты имеют очень высокое электрическое сопротивление и ведут себя подобно диэлектрику (для кремния это наблюдается при температурах, близких 0^о К).

Энергия, необходимая для разрыва одной связи в атоме Si, составляет примерно 1,12 эВ,

Ge- составляет примерно 0,67 Эв, см. ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Большинство полупроводников и металлов обладают кристаллической структурой. Кристаллическое твердое тело отличается от других атомных структур трехмерной периодичностью расположения своих атомов.

Кремний и германий имеют кристаллическую структуру в виде объемно-центрированного тетраэдра, в котором каждый атом связан с 4-мя соседними атомами ковалентными связями.

Рис. 2.4. двумерная модель кристалла (4-х валентного) с ковалентными связями

Двойные линии (рис. 2.4) символизируют два валентных электрона, вращающихся вокруг соответствующей пары атомов и образующих ковалентную связь.

При ковалентной связи (двухэлектронной) электроны связи принадлежат уже не одному, а сразу обоим связанным собой атомам, т.е. являются для них общими.

При комнатной температуре или выше, тепловой энергии колебаний решетки может быть достаточно для разрыва ковалентной связи (т.е. при поглощении фонона), (связь также может разорваться при поглощении фотона соответствующей энергии) и высвобождению валентного электрона.

Освобождение какого-либо валентного электрона из атома кремния приводит к тому, что в системе ковалентных связей возникает пустое место (вакансия, дырка).

!!!Место отсутствия электрона в решетке называют дыркой.

Высвобожденный электрон может перемещаться по кристаллической решетке, создавая ток проводимости. Этот электрон может присоединяться к валентным электронам соседнего атома; в результате местоположение отсутствующего электрона (дырка) перемещается в пространстве от одного атома к другому. Таким образом, вакансия (дырка) в электронной оболочке может создавать ток за счет того, что она перемещается от атома к атома без какого-либо притока внешней энергии, расходуемой на разрыв связей.

!!! Перемещение высвобожденного электрона по кристаллической решетке п/п сопровождается перемещением соответствующей вакансии.

Дырку можно рассматривать как некоторую частицу, аналогичную электрону (точнее, квазичастицу), но с зарядом противоположного знака.

Заряд дырки положительный, вследствие чего она, будучи помещена во внешнее электрическое поле, движется в сторону, противоположную направлению движения электрона.

!!! Электрический ток в кремнии (и любом другом полупроводнике) одновременно создается движением электронов и дырок.

Электроны и дырки, обозначаемые буквой n (negative) и p (positive) соответственно, мы будем называть также термином “носители заряда”.

Генерация и рекомбинация

При температуре Т > 0 средняя энергия фонона равна

Е_ср = 3/2 kT (2.6)

(k - постоянная Больцмана), например, при комнатной температуре Т = 300 К она равна

0,039 Эв).

В стационарных условиях электронная подсистема кристалла в целом находится в тепловом равновесии с колебаниями решетки.

Сравнить Е_ср с E_g= 1,1 эВ для кремния.

Однако существует конечная вероятность того, что фонон имеет энергию Eg, которая может значительно превышать среднюю, эта вероятность пропорциональна

P ~ e-^Eg/kT (2.7)

Электроны постоянно обмениваются энергией с фононами в процессе столкновений.

Тепловым возбуждением электрона называется акт передачи энергии от фонона электрону такой, что происходит разрыв ковалентной связи.

Если электрон получит от фонона энергию больше или равную Eg он может ²переброситься² из валентной зоны в зону проводимости, где он становится свободным и может участвовать в переносе заряда при приложении внешнего электрического поля.

Одновременно с переходом электрона в зону проводимости в валентной зоне образуется ²свободная² дырка, которая также участвует в электропроводности.

!!!ГЕНЕРАЦИЯ в собственных полупроводниках свободные электроны и дырки рождаются парами, этот процесс называется генерацией электронно-дырочных пар (рис. 2.4).

!!!РЕКОМБИНАЦИЯ - обратный процесс - взаимная аннигиляция электронов и дырок, когда электрон возвращается в валентную зону. Этот процесс называется рекомбинацией электронно-дырочных пар.

Число генерированных (рекомбинированных) пар носителей заряда в единице объема в единицу времени называется темпом генерации - G (рекомбинации - R).

В стационарных условиях темпы тепловой генерации и рекомбинации равны, то есть

G = R (2.8)

При этом в п/п существует равновесная концентрация электронов n_o и дырок p_o.

Рис.2.5 Генерация и рекомбинация

Генерация электронно-дырочных пар может происходить и при облучении полупроводника светом частотой , такой, что энергия фотона удовлетворяет условию (рис. 2.5)

(2.9)

Световая генерация и рекомбинация

При световой генерации электрон поглощает фотон (рис. 4).

При обратном процессе (рекомбинации) высвободившаяся энергия, равная Eg, может либо передаваться от электрона обратно решетке (фонону), либо уноситься фотоном.

Излучательная рекомбинация

Если энергия уносится фотоном, то этот процесс называется излучательной рекомбинацией

Могут также одновременно рождаться фононы и фотоны, но тогда, в силу закона сохранения, их парциальные энергии меньше Eg.

Световая генерация и излучательная рекомбинация лежат в основе работы целого класса оптоэлектронных полупроводниковых приборов - источников и приемников излучения.

Время жизни неравновесных носителей заряда

При воздействии на п/п света он получил избыточную концентрацию носителей n, p.

После прекращения энергетического воздействия на полупровод­ник избыточная концентрация носителей заряда в нем из-за про­цесса рекомбинации через некоторое время уменьшится до нуля.

!!! Количество носителей заряда, рекомбинирующих в единицу вре­мени в единице объема (быстрота изменения концентрации), пропорционально избыточной концентрации и обратно пропор­ционально некоторому параметру , который называют временем жизни неравновесных носителей заряда.

dn/dt =n/_n ; dp/dt =p/_p (2.10)

Концентрация неравновесных носителей заряда

n = n e ^–t/n; p = p e ^–t/p (2.11)

!!! временем жизни неравновесных носителей заряда является отношение избыточной концентрации (n или р) неравновесных носителей заряда к скорости изменения этой концентрации вследствие рекомбинации:

_n,р =n,p/( dn,p/dt) (2.12)

02.2013 Флёров А.Н. курс “ Электроника и МПУ” Для самостоятельного изучения

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

http://ru.wikipedia.org/wiki/%C7%E0%EF%F0%E5%F9%B8%ED%ED%E0%FF_%E7%EE%ED%E0

Ширина запрещённой зоны различных материалов

Материал	Энергия в эВ 300 K
C (Алмаз)	5,46–6,4
Si	1,12
Ge	0,67
Se	1,74
АIVВIV
SiC 3C	2,36
SiC 4H	3,28
SiC 6H	3,03
АIIIВV
InAs	0,355
InSb	0,17
InN	0,7
InxGa1-xN	0,7–3,37
GaN	3,37
GaP 3C	2,26
GaSb	0,69
GaAs	1,42
AlxGa1-xAs	1,42–2,16
AlAs	2,16
AlSb	1,58
AlN	6,2
АIIВVI
TiO2	3,2
ZnO	3,37
ZnS	3,56
ZnSe	2,70
CdS	2,42
CdSe	1,74
CdTe	1,45
CdS	2,4

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Содержание:

Многие полезные с практической точки зрения физические свойства твердых тел, например, электропроводность, объясняются их зонной структурой. 1

Твердые тела подразделяются на кристаллические и аморфные. 1

Мы будем рассматривать строение энергетических зон только в твердых телах, имеющих кристаллическую структуру, к которым относится большинство полупроводников, применяемых для создания электронной техники. 1

Энергетический спектр 1

1. Полупроводниковые вещества 13

2. Кристаллическая решетка 13