О чистоте п/п материалов
Чистым называется вещество, в котором содержится один посторонний атом на 103 собственных (концентрация примесей 0,1% , или 1 на 1000).
С химической точки зрения – “изумительно” чистое вещество с концентрацией примесей - 0,001% (1 на 100000)
Число атомов в кристалле 1023
Но это значит что в веществе в см3 ~ 1017 сторонних атомов
Пусть примесь способна отдавать электроны, тогда в “изумительно” чистом (химически) Ge (0.001%) “примесных” будет в 4000 больше чем собственных.
В Si “примесных” электронов будет в 107 больше. чем собственных.
п/п
|
InSb |
Ge |
Si |
InP |
GaAs |
GaP |
SiC |
антимонид индия |
германий |
кремний |
фосфид индия |
арсенид галлия |
фосфид галлия |
карбид кремния |
|
Eg, эВ |
0,17 |
0,72 |
1,1 |
1,3 |
1,4 |
2,3 |
2,4-3,2 |
ni, см-3 |
1,3 1016 |
2,4 1013 |
1,1 1010
|
5,5 107 |
1,4 107 |
0,8 |
0, 1-2 10-8 (1400оС) |
(Т ~300 К)
Рис.3.2. Зависимость концентрации собственных носителей от температуры для наиболее распространенных полупроводников - кремния, германия, арсенида и фосфида галлия.
При изменении ширины запрещенной зоны в диапазоне от 0,7 эВ для германия до 2,3 эВ для фосфида галлия собственная концентрация ni при комнатной температуре изменяется от значения 1013 см-3 до 101 см-3.
Примесные полупроводники
Большинство полупроводниковых приборов изготовляют на основе примесных полупроводников.
Кристаллы полупроводников неизбежно в реальных условиях обладают определенным количеством посторонней примеси, даже если требуется получить материал очень высокой степени чистоты.
Примеси также специально вводятся во время роста кристаллов с целью получить полупроводник с заданными электрическими свойствами, при изготовлении приборных структур. Такие полупроводники называются легированными или примесными.
Примеси могут быть донорного и акцепторного типа.
ДОНОР - это примесный атом или дефект кристаллической решетки, способный в возбужденном состоянии отдать электрон в зону проводимости.
АКЦЕПТОР - это примесный атом или дефект кристаллической решетки, свободный от электрона в невозбужденном состоянии и способный захватить электрон из валентной зоны в возбужденном состоянии.
Рис.3.3. Донорная 5-и валентная (As, Sb) и акцепторная 3-х валентная (In, B) примеси
При небольшой концентрации примесей (~1 на 10 6 ) их атомы расположены в полупроводнике на таких больших расстояниях друг от друга, что не взаимодействуют между собой.
Вероятность непосредственного перехода электронов от одного примесного атома к другому ничтожно мала, т. е. с точки зрения зонной теории не происходит расщепления примесных уровней.
Атомы примеси, отличаясь от атомов основного кристалла валентностью, создают уровни разрешенных энергий электронов в запрещенной зоне, которые либо могут поставлять электроны в зону проводимости, либо принимать на себя электроны из валентной зоны
Рис.3.4 Зонные диаграммы примесных полупроводников
Доноры и акцепторы имеют энергетические уровни в запрещенной зоне собственного п/п.
Энергиия ионизации донора минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону, находящемуся на донорном уровне, чтобы перевести его в зону проводимости.
Энергия ионизации акцептора — это минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону валентной зоны, чтобы перевести его на акцепторный уровень.
Энергия ионизации примесных атомов значительно меньше энергии ионизации собственных атомов полупроводника или ширины запрещенной зоны. Поэтому в примесных полупроводниках при низких температурах преобладают носители заряда, возникшие из-за ионизации примесей.
Если электропроводность полупроводника обусловлена электронами, его называют полупроводником n-типа, если электропроводность обусловлена дырками — полупроводником р-типа.
Основные и неосновные носители
Основные носители в п/п n - типа – электроны, неосновные – дырки.
Основные носители в п/п р- типа – дырки, неосновные – электроны
Температурная зависимость концентрации носителей п/п.
Рассмотрим температурную зависимость концентрации электронов в п/п “n”типа.(рис.3.5)
Рис.3.5 Температурная зависимость концентрации носителей п/п (кремний)
Три области:
1- средняя энергия фононов мала в сравнении с энергией ионизации,- лишь часть доноров ионизирована (область примесной проводимости).
2- средняя энергия фононов соизмерима с энергией ионизации примесей, но меньше ширины запрещенной зоны- все доноры ионизированы, а концентрация собственных электронов мала (область примесного истощения).
Число свободных электронов- const ,и их концентрация равна концентрации доноров, те в 1,2 преобладают примесные основные носители.
3 - средняя энергия фононов увеличивается настолько что концентрация собственных носителей становиться больше концентрации доноров (область собственной проводимости).
П/п приборы могут нормально функционировать только в температурном диапазоне 2, когда концентрация основных носителей практически не зависит от температуры и равна концентрации примесей.
Поэтому область 2 определяет максимальную и минимальную рабочие температуры приборов.
Процессы переноса заряда в полупроводниках
Процесс переноса зарядов может наблюдаться в полупроводниках при наличии электронов в зоне проводимости
Перенос носителей зарядов может происходить либо под действием электрического поля (Дрейф), либо из-за неравномерности концентрации носителей заряда (Диффузия),
Дрейф носителей заряда
Дрейф - направленное движение носителей заряда под действием электрического поля.
Электроны получая ускорение в эл. поле, приобретают на длине свободного пробега 10-8 – 10-4 эВ. и переходят на более высокие э.у. При очередном соударении электрон отдает энергию решетке (фонону) и возвращается на один из низко лежащих энергетических уровня. Так можно представить процесс электропроводности.
*) длиной свободного пробега носителей заряда, определяется как среднее расстояние, проходимое носителем между двумя последовательными актами рассеяния на узлах кристаллической решетки.
Длина свободного пробега (lср), среднее время свободного пробега (tср) и средняя скорость теплового хаотического движения (Vтср), связаны соотношением
lср = Vтср tср
[Vтср ~ 105 м/сек]