Модуль 1.

Полупроводниковые приборы

Модуль 1.1

Электрофизические свойства полупроводников.

Полупроводниками называют кристаллические или аморфные вещества, занимающие по удельному сопротивлению промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

=

=

=

Наиболее широкое применение в развитии электронной техники получили германий, кремний, селен, а также полупроводниковые соединения типа арсенид галлия, карбид кремния, сульфид кадмия и др.

Важнейшим признаком полупроводниковых материалов является зависимость их электрических свойств (электропроводности) от внешних условий:

- температуры;

- освещенности,

- давления,

- внешних электрических полей и т.п.

Для полупроводников характерно кристаллическое строение, т.е. закономерное и упорядоченное расположение их атомов в пространстве на одинаковом расстоянии друг от друга – образование кристаллической решетки твердого тела.

Рис. 1.1 Кристаллическая решетка германия

Между атомами кристаллической решетки существуют связи, образованные валентными электронами, которые взаимодействуют не только с ядром своего атома, но и соседними. Атомы химических элементов состоят из ядра, вокруг которого по эллиптическим орбитам вращаются электроны. Число электронов в электронной оболочке атома равно порядковому номеру химического элемента в периодической таблице Менделеева.

Электроны образуют несколько слоев вокруг ядра атома. Электроны каждого слоя обладают кинетической энергией одного порядка. Во внешнем слое находятся валентные электроны, число которых не может быть больше восьми. Валентные электроны определяют химические и физические свойства вещества, так как легко вступают во взаимодействие с валентными электронами атомов других веществ.

В кристаллах полупроводника связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами – по одному от каждого атома. Химическая связь двух соседних атомов с образованием на одной орбите общей пары электронов называется ковалентной или парно-ковалентной связью.

Рис. 1.2. Кристаллическая решетка полупроводника:

а) ковалентная связь атомов,

б) ее схематическое изображение,

в) связи в кристаллической решетке германия

Четыре валентных электронов каждого атома образуют связи с четырьмя соседними атомами (рис. 1.2 в)

При отсутствии примесей и температуре, близкой к абсолютному нулю, все валентные электроны атомов в кристалле взаимно связаны и свободных электронов нет, т. е. полупроводник не обладает проводимостью.

Под действием внешних факторов (повышение температуры, облучение и т. д.) некоторые валентные электроны атомов кристаллической решетки приобретают энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей. В кристалле появляются свободные (несвязанные) электроны.

При появлении свободных электронов в ковалентных связях образуется свободное – не занятое электроном (вакантное) место – условно названное «дыркой». В области ее образования возникает избыточный положительный заряд. При наличии «дырки» какой-либо из электронов соседних связей может занять место дырки и нормальная ковалентная связь в этом месте восстановится, но будет нарушена в том месте, откуда ушел электрон. Новую дырку может занять еще какой-нибудь электрон и т. д. Этот процесс непрерывно повторяется и дырка, переходя из одной связи к другой, будет перемещаться по кристаллу, что равносильно перемещению частицы, имеющий положительный заряд, равный по величине заряду электрона. Если отсутствует внешнее электрическое поле, то электроны и дырки будут перемещаться хаотически. Если же на кристалл действует электрическое поле, то движение дырок и электронов становятся упорядоченными, и в кристалле возникает электрический ток.

Рис.1.3. К пояснению дырочной проводимости.

Электрон из одного атома ушел – образовалась дырка, которая может притянуть электрон из соседнего второго атома. При наличии электрического поля, направленного слева направо, электрон движется справа налево.

Последовательно переходя от одного атома к другому, дырка через некоторое время возникает в крайнем правом атоме - шестом.

Таким образом, проводимость полупроводника обусловлена перемещением, как свободных электронов, так и дырок.

Соответственно различают два вида проводимости полупроводников – электронную или проводимость n – типа (negative - отрицательный), и дырочную или проводимость р - типа (positive - положительный)

В химически чистом кристалле число дырок равно числу электронов, и электрический ток в нем образуется в результате одновременного переноса зарядов обоих знаков. Такая электронно-дырочная проводимость называется собственной проводимостью полупроводника.

При этом общий ток в полупроводнике равен сумме электронного и дырочного токов. Для изготовления большинства полупроводниковых приборов необходимо иметь полупроводник с явно выраженной проводимостью одного типа.

Преобладание какой-то проводимости можно получить внесением в полупроводник атомов других веществ-примесей.

Проводимость, вызванная присутствием в кристалле полупроводников примесей из атомов с другой валентностью, называется - примесной.

Примеси, вызывающие в полупроводнике увеличение свободных электронов, называется донорными, а увеличение дырок – акцепторными.

Если в кристалл германия, внести атомы пятивалентного (например, мышьяк) вещества, то четыре атома мышьяка образуют с четырьмя атомами германия ковалентные связи, пятый же валентный электрон окажется свободным. Дырки при этом не образуются, так как все валентные связи сохраняются.

Полупроводники, электропроводность которых улучшилась за счёт избытка свободных электронов, при введении примеси, называются полупроводниками с электронной проводимостью или полупроводниками n – типа. Электроны в полупроводниках n – типа называются основными носителями зарядов, а дырки – не основные носители зарядов (рис. 1.4б)

Рис. 1.4. Примесная проводимость германия:

а – чистый германий,

б – германий с донорной примесью,

в – германий с акцепторной примесью.

Введение в четырехвалентный полупроводник трехвалентного элемента (например, индия рис. 1.4в), приводит к образованию избытка дырок. В этом случае ковалентные связи не будут завершены, а образовавшаяся дырка может перемещаться по кристаллу, создавая дырочную проводимость.

Полупроводники, электропроводность которых обуславливается в основном движением дырок, называют полупроводниками с дырочной проводимостью или полупроводниками р – типа. Дырки в этих полупроводниках являются основными носителями заряда, а электроны – не основные.

Контрольные вопросы по модулю № 1.1

1. Назовите основные особенности полупроводниковых материалов.

2. Что собой представляет кристаллическая решетка полупроводника?

3. Объясните механизм собственной проводимости полупроводников.

4. Какой проводник называется примесным?

5. Какие примеси используются в полупроводниковой технике?

6. Какие полупроводники называются n – типа, р – типа?

7. Что такое основные и не основные носители заряда?

8. Объясните механизм дырочной проводимости полупроводника.

Тест контроля знаний по модулю 1.1

1	К какой группе относятся полупроводники в таблице Менделеева?	а) 2 б) 3 в) 4 г) 5	1 2 3 4
2	Какое соотношение между электронной и дырочной проводимостью в чистом полупроводнике?	а) электронная проводимость равна дырочной; б) электронная проводимость больше дырочной; в) электронная проводимость меньше дырочной.	5 6 7
3	Как изменяется сопротивление полупроводника с увеличением температуры?	а) сопротивление не меняется; б) сопротивление уменьшается; в) сопротивление увеличивается.	8 9 10
4	Для получения полупроводника n – типа в германий вводят примеси	а) трехвалентного элемента; б) четырех валентного элемента; в) пятивалентного элемента.	11 12 13
5	Какие носители заряда являются основными в полупроводниках р - типа	а) электроны; б) отрицательные ионы; в) дырки; г) положительные ионы.	14 15 16 17
6	Какое удельное сопротивление имеют полупроводниковые материалы		18 19 20
7	Как изменится удельное сопротивление полупроводника при внесении в него атомов примеси?	а) не изменится; б) увеличится; в) уменьшится.	21 22 23
8	Какая проводимость создается у химически чистого полупроводника?	а) электронная; б) дырочная; в) и та и другая.	24 25 26