2. Элементная база электроники

2.1. Полупроводниковые материалы

Основные материалы, из которых изготавливают элементы электронных схем, относятся к полупроводникам, занимающим промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Удельное сопротивление ρ полупроводников колеблется в пределах от 0,1 до 10⁸ Ом∙м, причем уменьшается при нагревании. Термозависимость ρ делает разделение веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики нечётким, поэтому для классификации материалов также применяют иной, более строгий критерий - значение энергетического зазора ∆Е между электронами зоны валентности и зоны проводимости: у полупроводников этот параметр лежит в пределах от 0 до 3 эВ.

Свойствами полупроводников обладают вещества, занимающие среднее положение в таблице Д.И. Менделеева, размещающиеся в третьей – пятой её группах. В настоящее время базовым полупроводником является кремний Si: кремний чрезвычайно распространен в земной коре, составляет до 27,6 % ее объема. Кремний относится к веществам четвертой группы, его атомы имеют валентность, равную 4. Похожим по своим свойствам на кремний является германий Ge – однако это вещество в природе встречается гораздо реже.

Как у кремния, так и у германия на наружной орбите в атоме находится четыре электрона при предельной численности восемь. Эти электроны слабее других связаны с ядром атома, в химических соединениях обеспечивают ковалентную связь атомов. Эти же электроны при наличии внешних факторов (нагрев, наличие внешнего электрического поля) высвобождаются со своих мест на орбитах и становятся «электронами проводимости» - отрицательно заряженными частицами, перемещающимися в направлении положительного полюса внешнего электрического поля. Место на орбите, с которого «ушёл» электрон, называется «дыркой». Тот факт, что атом полупроводника лишился одного из отрицательно заряженных электронов, превращает его в положительно заряженный ион, но приобретенный атомом положительный заряд, по модулю равный заряду электрона, принято приписывать дырке. Дырка не является заряженной частицей, но ее удобно считать таковой. Имея положительный заряд, дырки при наличии внешнего электрического поля движутся к его отрицательному полюсу, т. е. навстречу электронам. Перенос отрицательных зарядов в сторону «плюса» и положительных – в сторону «минуса» внешнего электрического поля ня положительный заряд, дырки при наличии внешнего электрического поля движутся к его отрицательному полюсу, т..ельно заряженны образуют общий электрический ток в полупроводнике.

Передвижение электронов называется электронной проводимостью (или n-проводимостью, от слова negative – отрицательный), передвижение дырок – дырочной проводимостью (p-проводимостью, от positive - положительный). Описанный выше механизм образования тока в полупроводнике представляет собой упрощенную модель – на самом деле в процессе движения электроны и дырки рекомбинируют, но одновременно образуются новые пары электрон-дырка. Таким образом, перемещение заряженных частиц чем-то напоминает передачу эстафеты.

В полупроводниках четвертой группы таблицы Д.И.Менделеева, таких как кремний и германий, при отсутствии примесей количество дырок практически равно количеству свободных электронов. Полупроводники, лишенные примесей, называют чистыми. Чистые полупроводники имеют в элементной базе электроники ограниченное применение – к элементам этого типа относятся терморезисторы и варисторы (см. п.п. 2.8 и 2.9 настоящего пособия).

Чаще используют примесные полупроводники. Если, например, в кремний внести небольшое количество атомов вещества пятой группы таблицы Д.И. Менделеева (например, фосфора P, ванадия V, мышьяка As, сурьмы Sb, висмута Bi), имеющих на наружной орбите пять электронов, то окажется, что в примесном полупроводнике количество электронов избыточно.

Полупроводник такого типа принято называть n-полупроводником, а примесь – донорной. С соседними атомами кремния образуют ковалентные связи только четыре электрона атомов примеси, а пятый – не востребован и потому очень слабо связан со своим атомом. «Лишние» электроны способны при приложении внешнего электрического поля образовать электрический ток. При этом в атомах кремния, не связанных с атомами примеси будет одновременно реализован механизм формирования электрического тока, характерный для чистого полупроводника.

Электронный ток, обусловленный наличием примеси, гораздо интенсивнее электронно-дырочного тока, обусловленного процессами в базовом веществе. Поскольку перемещающихся электронов в составе тока гораздо больше, чем дырок, то электронный ток называют основным, а дырочный – «током неосновных носителей».

В кремний вносят также атомы третьей группы таблицы Д.И. Менделеева – бор B, индий In, скандий Sc, галлий Ga. У атомов такой примеси на наружной орбите всего три электрона - меньше, чем у атомов кремния. Нехватка электронов приводит к излишку дырок.

Полупроводник с примесью атомов третьей группы принято называть p-полупроводником, а саму примесь – акцепторной. В p-полупроводниках основной ток обусловлен движением дырок, а «током неосновных носителей» является электронный.