4. Полупроводниковые приборы
4.1. Полупроводниковые материалы
Полупроводники образуют широкий класс материалов, удельная электропроводность которых имеет промежуточное значение между удельной электропроводностью металлов
и хороших диэлектриков
.
В отличие от металлов, электропроводность полупроводников увеличивается с ростом температуры, причем по экспоненциальному закону:
. (4.1.1)
Здесь
– энергия активации проводимости,
– постоянная Больцмана, Т – абсолютная
температура,
– начальное значение проводимости.
Выражение (4.1.1) означает, что электроны
в полупроводнике
связаны с атомами, с энергией связи
порядка
.
С ростом температуры тепловое движение
начинает разрывать связи электронов,
и часть их, пропорциональная
,
становится свободными носителями
зарядов.
Связь электронов может быть разорвана не только тепловым движением, но и различными внешними воздействиями: светом, потоком быстрых частиц, сильным электрическим полем и т.д. Поэтому для полупроводников характерна сильная чувствительность к внешним воздействиям, а также к содержанию примесей и дефектов в кристаллах, поскольку во многих случаях энергия для электронов, локализованных вблизи примесей и дефектов, существенно меньше, чем в идеальном кристалле данного полупроводника. Возможность в широких пределах управлять электропроводностью полупроводников изменением температуры, введением примесей и т.п. служит основой их разнообразных применений.
4.2. Электроны и дырки в полупроводниках
Так как в твердом теле атомы или ионы сближены на расстояние порядка атомного радиуса, то в нем происходит непрерывный переход валентных электродов от одного атома к другому. Это может привести к образованию ковалентной связи, если электронные оболочки атомов сильно перекрываются и переход электронов между атомами происходит быстро. Такая картина полностью применима к германию Ge и кремнию Si. Все атомы Ge нейтральны и связаны друг с другом ковалентной связью.
Однако электронный обмен между атомами не приводит непосредственно к электропроводности, так как в целом распределение электронной плотности жестко фиксировано: по 2 электрона на связь между каждой парой атомов – ближайших соседей. Чтобы создать проводимость, необходимо разорвать хотя бы одну из связей, удалив с нее электрон, перевести его в какую-либо ячейку кристалла, где все связи заполнены, и этот электрон окажется лишним. Такой электрон в дальнейшем свободно может переходить из ячейки в ячейку (они все для него эквивалентны) и, являлясь всюду лишним, переносит свой избыточный отрицательный заряд, т.е. становится электроном проводимости.
В свою очередь, разорванная связь становится блуждающей по кристаллу дыркой, поскольку в условиях сильного обмена (рис. 4.3, 4.4) электрон соседней связи быстро занимает место ушедшего. Недостаток электрона у одной из связей означает наличие у атома (или пары атомов) единичного положительного заряда, который переносится вместе с дыркой. Электроны и дырки – свободные носители заряда в полупроводнике.
Рис. 4.3. Образование подвижных электронов в германии с донорной примесью мышьяка
При разрыве ионной связи перекрытие электронных оболочек становится меньше и электронные переходы будут менее частыми. В этом случае также образуются электрон проводимости и дырка, однако разрыв полной связи требует большей затраты энергии.
Рис. 4.4. Образование дырок в германии с акцепторной примесью бора