Глава 1. Полупроводниковые двухполюсные приборы.

Полупроводниковые приборы- это устройства, работа которых обусловлена электрофизическими явлениями в полупроводниковых материалах.

Важные свойства полупроводниковых материалов приведены в таб.1.1

Таб.1.1

№ п/п	Свойства
1	Твердая кристаллическая структура
2	Величина удельного сопротивления полупроводников , меньше чем у диэлектриков ( ), но значительно больше, чем у металлов ( )
3	Удельное сопротивление полупроводника в значительной степени зависит от : 1. электрического поля 2. нагрева 3. облучения светом 4. внесения примесей
4.	Для изготовления полупроводниковых приборов используют германий Ge, кремний Si и арсенид галлия
5.	Главное отличие полупроводников от металлов в механизме электропроводности.

1. Структура полупроводника и процессы в нем на примере чистого кремния

Кремний относится к IV группе периодической таблицы Менделеева Д.И. Вокруг ядра атома на разных орбитах вращаются 14 электронов. На внешней (незаполненной) орбите находиться 4 электрона, которые, наиболее слабо связанны с ядром (рис1.1):

Рис 1.1 Упрощенная структура атома кремния.

Атомы располагаются в узлах кристаллической решетки и связаны между собой с помощью валентных электронов Э₁, Э₂, Э₃, Э₄. При такой связи, получившей название ковалентной, каждый валентный электрон, принадлежит одновременно двум соседним атомам. Плоская картина для одного атома, показана на рис.1.2. Естественно, кристаллическая решетка имеет объемный характер и при перемещении по внешней орбите, валентный электрон последовательно создает ковалентную связь с тем соседним атомом, который в данный момент времени ближе. В момент времени создает ковалентную связь c правым атомом, а с левым. В следующий момент времени на месте электрона появится электрон правого ядра и.т.д. Энергетические процессы, происходящие в полупроводнике можно описать следующим образом.

Рис.1.2. Положение валентных электронов в момент времени

Каждый из четырех валентных электронов обладает энергией , от величины которой зависит прочность его связи с собственным ядром. При температуре абсолютного нуля, все валентные электроны находятся в валентной зоне (рис1.3) и целиком участвуют в межатомных связях. Зона проводимости свободна. Следовательно отсутствуют заряды, которые могли бы создать электрический ток

Между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона шириной .

Рис.3.Энергетические зоны в полупроводнике.

При повышении температуры, часть валентных электронов, разрывает ковалентную связь и переходит в зону проводимости, освобождая энергетические уровни в валентной зоне. Электроны, перешедшие в зону проводимости, способны под воздействием внешнего электрического поля создавать ток проводимости. Свободные места, в валентной зоне, так называемые дырки, в электрическом и магнитном полях ведут себя как частица с положительным зарядом. Процесс перехода электрона в зону проводимости и образования при этом дырки называется генерацией.

Возможен и обратный процесс, получивший название рекомбинации, при котором в валентную зону попадает электрон, занимающий при этом место дырки. Проводимость полупроводника тем выше, чем интенсивнее процесс генерации. При этом полная плотность тока в полупроводнике равна сумме плотностей электронной и дырочной составляющих: . Если в полупроводнике нет примесей, то такая проводимость получила название собственной проводимости. С ростом температуры эта проводимость растет, но остается достаточно низкой.

Чистые полупроводники используют довольно редко. Для увеличения числа носителей заряда, а значит , для увеличения проводимости полупроводника применяют легирование примесями. В частности, легирование германия и кремния мышьяком, имеющим пять валентных электронов.

Атомы мышьяка встраиваются в решетку кремния или германия. Четыре из пяти электронов мышьяка образуют обычные ковалентные связи, с возможностью участия в процессе генерации и рекомбинации. Пятый электрон оказывается лишним и начинает хаотическое движение (рис1.4). Важно то, что он может легко создавать плотность тока проводимости. В легированном полупроводнике существует и плотность тока, обусловленная наличием дырок.

Рис.1.4 Ковалентные связи при легировании кремния, германия мышьяком

Очевидно, что наличие мышьяка привело к значительному уменьшению числа дырок (неосновных носителей заряда) в полупроводнике, а электроны стали основными носителями заряда , проводимость полупроводника увеличилась.

Следует отметить, что даже при высокой степени легирования проводимость полупроводника ниже чем у металла, и в отличии от проводимости металлов проводимость полупроводника растет с ростом температуры.

Примесь (в данном случае мышьяк), способную отдавать электроны называют донором.

Если в качестве примеси использовать трехвалентный индий, то картина с носителями зарядов меняется. Все три валентных электрона будут участвовать в ковалентной связи, а в валентной зоне появляются избыточные дырки. Полупроводник в этом случае, обладает дырочной электропроводностью р-типа (полупроводник р-типа). Примесь в этом случае называют акцептором.