Полупроводниковые приборы в электронике

В начале своего развития и в течение нескольких десятилетий электроника опиралась почти исключительно на электронные и ионные электровакуумные приборы. В настоящее время во всех областях современной электроники основными приборами стали полупроводниковые.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Современной физикой доказано, что электроны в твердом теле не могут обладать произвольной энергией. Энергия каждого электрона может принимать лишь определенные значения, называемые уровнями энергии или энергетическими уровнями.

Электроны, расположенные ближе к ядру атома, обладают меньшими энергиями, т.е находятся на более низких энергетических уровнях. Чтобы удалить электрон от ядра, надо преодолеть взаимное притяжение, а следовательно, затратить некоторую энергию. Поэтому удаленные от ядра электроны обладают большими энергиями, т.е находятся на более высоких энергетических уровнях.

Когда электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, выделяется некоторое количество энергии, называемое квантом или фотоном. Если атом поглощает один квант энергии, то электрон переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий. Т.о., энергия электронов изменяется только квантами, т.е. определенными порциями.

Распределение электронов по уровням можно изобразить схематически как на рисунке:

Горизонтальными линиями показаны уровни энергии W электрона.

В соответствии с, так называемой теорий твердого тела, энергетические уровни объединяются в зону. Электроны внешней оболочки атома заполняют ряд энергетических уровней, составляющих валентную зону. Валентные электроны участвуют в электрических и химических процессах. Более низкие энергетические уровни входят в состав других зон.

В металлах и полупроводниках существует большое число электронов, находящихся на болеее высоких энергетических уровнях. Эти уровни составляют зону проводимости. Электроны этой зоны, называемые электронами проводимости, совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим. Именно электроны проводимости обеспечивают высокую электропроводность металлов.

Атомы вещества, отдавшие электроны в зону проводимости, можно рассматривать как положительные ионы. Они располагаются в определенном порядке, образуя пространственную решетку, называемую иначе ионной или кристаллической. Такое состояние вещества соответствует равновесию сил взаимодействия между атомами и минимальному значению общей энергии всех частиц тела. Внутри пространственной решетки происходит беспорядочное движение электронов проводимости.

На рисунке, приведенном выше изображена схема уровней энергии, или зонная энергетическая диаграмма, для металла. Следует отметить, что в действительности схема эта сложнее, число уровней в ней очень велико и они распределены неравномерно. Из рисунка видно, что у металлов зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне. Поэтому при нормальной температуре в металлах большое число электронов имеет энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости. Практически каждый атом металла отдает в зону проводимости по крайней мере, один электрон. Т.о., число электронов проводимости в металлах не меньше числа атомов.

Иная энергетическая структура характерна для диэлектриков.

У них между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона, соответствующая уровням энергии, на которых электроны не могут находиться. Ширина запрещенной зоны, т.е. разность между энергией нижнего уровня зоны проводимости и верхнего уровня валентной зоны, составляет несколько электрон-вольт. При нормальной температуре у диэлектриков в зоне проводимости имеется только очень небольшое число электронов, и поэтому диэлектрик обладает очень малой проводимостью. Но при нагревании некоторые электроны валентной зоны, получая добавочную энергию, переходят в зону проводимости, и тогда диэлектрик приобретает заметную проводимость.

У полупроводников зонная диаграмма имеет вид:

Из диаграммы видно, что ширина запрещенной зоны у полупроводников меньше, чем у диэлектриков, и в большинстве случаев составляет около одного электрон-вольта. Поэтому при низких температурах полупроводники являются диэлектриками, а при нормальной температуре значительное количество электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости. В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используются германий (Ge) и кремний (Si), имеющие валентность равную 4. Внешние оболочки атомов германия или кремния имеют четыре валентных электрона. Пространственная кристаллическая решетка состоит из атомов, связанных друг с другом валентными электронами. Такая связь, называемая ковалентной изображена на рисунке: Как видно, вокруг каждой пары атомов движутся по орбитам два валентных электрона, показанные на рисунке жирными точками. В условном плоскостном изображении такой кристаллической решетки ковалентные связи показаны в виде линий, а электроны – в виде кружков со знаком «минус» внутри, т.к.электроны имеют условно отрицательный заряд.

Собственная электронная и дырочная электропроводность

Полупроводники представляют собой вещества, которые по удельной электрической проводимости занимают среднее положение между проводниками и диэлектриками.

При Т= 300 К у проводников удельная электрическая проводимость составляет 10⁴ – 10⁶ См/см (1 См/см – это проводимость 1 см³ вещества, читается как сименс на сантиметр), у диэлектриков она меньше 10^-10 См/см, а у полупроводников ее значения находятся в пределах от 10^-10 до 10⁴ См/см. Как видно, для полупроводников характерен очень широкий диапазон удельной проводимости.

Принцип работы полупроводниковых приборов связан с тем, что в полупроводниках существует электропроводность двух видов. Так же как и металлы, полупроводники обладают электронной электропроводностью, которая обусловлена перемещением электронов проводимости. При обычных рабочих температурах в полупроводниках имеются электроны проводимости, которые очень слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое движение (колебания) между атомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием разности потенциалов могут начать двигаться в определенном направлении. Такое дополнительное движение и есть электрический ток.

Полупроводники также обладают дырочной проводимостью, которая не наблюдается в металлах. Она является особенностью полупроводников, поэтому рассмотрим ее подробнее.

В атоме полупроводника под влиянием тепловых или других воздействий один из более удаленных от ядра валентных электронов переходит в зону проводимости. Тогда атом будет иметь положительный заряд, численно равный заряду электрона. Такой атом можно назвать положительным ионом.

Отсутствие электрона в атоме полупроводника условно назвали дыркой. Этим подчеркивают, что в атоме не хватает одного электрона, т.е. образовалось свободное место. Дырки ведут себя как элементарные положительные заряды. Возникновение дырки можно пояснить с помощью плоскостной модели полупроводника. Один из электронов, участвующий в ковалентной связи, получив дополнительную энергию, становится электроном проводимости, т.е. свободным носителем заряда, и может перемещаться в кристаллической решетке. А его прежнее место теперь свободно. Это и есть дырка, изображенная на рисунке пунктирным кружком.

При дырочной электропроводности под влиянием приложенной разности потенциалов перемещаются дырки, что эквивалентно перемещению положительных зарядов. На самом деле, при дырочной электропроводности тоже перемещаются электроны, но более ограниченно, чем при электронной электропроводности. Электроны переходят из атомов только в соседние. Результатом этого является перемещение положительных зарядов – дырок – в направлении противоположном направлению электронов.

Электропроводность полупроводников наиболее правильно может быть объяснена их энергетической структурой. На рисунке видно, что ширина запрещенной зоны у полупроводников сравнительно невелика (для германия 0,72 эВ, для кремния 1,12 эВ). При температуре абсолютный нуль полупроводник, не содержащий примесей, является диэлектриком, в нем нет электронов и дырок проводимости. Но при повышении температуры электропроводность полупроводника повышается, т.к. электроны валентной зоны получают при нагреве дополнительную энергию и за счет этого все большее их число преодолевает запрещенную зону и переходит из валентной зоны в зону проводимости.

Этот переход показан сплошной стрелкой на рисунке. Т.о. появляются электроны проводимости и возникает электронная электропроводность. Каждый электрон, перешедший в зону проводимости, оставляет в валентной зоне свободное место – дырку, т.е. в валентной зоне возникают дырки проводимости, число которых равно числу электронов, перешедших в зону проводимости. Следовательно, вместе с электронной создается и дырочная электропроводность.

Электроны и дырки, которые могут перемещаться и поэтому создавать электропроводность, называют подвижными носителями заряда или просто носителями заряда. Принято говорить, что под действием теплоты происходит генерация пар носителей заряда, т.е. возникают пары электрон проводимости – дырка проводимости.

Вследствие того, что электроны и дырки проводимости совершают хаотическое тепловое движение, обязательно происходит процесс, обратный генерации пар носителей. Электроны проводимости снова занимают свободные места в валентной зоне, т.е. объединяются с дырками. Такое исчезновение пар носителей называется рекомбинацией носителей заряда. Этому процессу соответствует показанный штриховой стрелкой переход электрона из зоны проводимости в валентную зону. Процессы генерации и рекомбинации пар носителей всегда происходят одновременно. Рекомбинации всегда ограничивает возрастание числа пар носителей и при каждой данной температуре устанавливается определенное число электронов и дырок проводимости, т.е. они находятся в состоянии динамического равновесия.

Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником или полупроводником i-типа. Он обладает собственной электропроводностью, которая складывается из электронной и дырочной электропроводности. При этом, несмотря на то, что число электронов и дырок проводимости в собственном полупроводнике одинаково, электронная электропроводность преобладает, что объясняется большей подвижностью электронов по сравнению с подвижностью дырок.

В собственном полупроводнике при комнатной температуре число подвижных носителей заряда по отношению к общему числу атомов составляет около 10^-7 % для германия и около 10^-10 % для кремния. А в металлах число электронов проводимости не меньше числа атомов. Поэтому удельная электрическая проводимость полупроводников в миллионы раз меньше, чем у металлов.