Тема 1.3. ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НАПІВПРОВІДНИКІВ

План

1.Внутрішні структури напівпровідників.

2.Власна провідність напівпровідників.

3.Дрейфовий та дифузійний струми в напівпровідниках.

4.Температурна залежність провідності напівпровідників.

5.Домішкова провідність напівпровідників

6.Електропровідність напівпровідників в сильних електричних полях. Ефект Ганна.

7.Ефект Холла.

1. Внутрішня структура напівпровідників

Напівпровідникові матеріали є основними для створення напівпровідникових інтегральних мікросхем (ІМС), а також активних компонентів електроніки (транзисторів, діодів та ін.).

За своїми електричними властивостями напівпровідники займають проміжне місце між провідниками і діелектриками. Формальною ознакою належності речовини до складу напівпровідників являється величина питомої провідності δ= 10-10

….104 См/м (до провідників відносяться речовини із δ=104…106 См/см до діелектриків – δ<10-10Cм/см).

З точки зору зонної теорії, до напівпровідників відносяться речовини, ширина забороненої зони яких не перевищує 3 еВ. Важливою властивістю напівпровідників являється залежність їх електричних властивостей від зовнішніх умов: температури, освітленості, тиску, зовнішніх полів та ін. Характерною особливістю напівпровідників є зменшення їх питомого опору із збільшенням температури.

За хімічним складом напівпровідникові матеріали поділяються на прості й складні. До простих напівпровідників належать хімічні елементи: Вуглець (C), Силіцій(Si), Германій (Ge), Стибій (Sb),Телур (Te), Індій (In), Арсеній (As), Фосфор (P). До складних: Арсенід галію (GaAs), Телурид вісмуту (Bi2Te3) та ін.

Для виготовлення напівпровідникових приладів найпоширеніше використовують Германій (Ge) та Кремній (Si).

Напівпровідники мають кристалічну будову, яка характеризується закономірним розташуванням атомів у просторі. В кристалах, зв¢язані між собою атоми розміщуються у визначеному порядку і на однакових відстанях один від одного, в результаті чого створюється відповідна гратка із атомів, яку прийнято називати

кристалічною граткою твердого тіла.

Атоми Германію(Ge) і Кремнію (Si) мають відповідно 14 і 32 електрони, які розташовані на відповідних оболонка. Зовнішні оболонки подібні - вони мають по чотири електрони, які обертаються навколо ядра по чотирьох орбітах. При утворені кристалів атоми на стільки зближуються, що їх зовнішні оболонки перекриваються. Взаємодія електронних оболонок приводить до того , що у валентних електронів сусідніх атомів появляються спільні орбіти, на кожній з яких знаходиться по два електрони. Ці спільні орбіти зв’язують між собою атоми кристалу, створюючи

так званий ковалентний або парно електронний зв’язок (рис. 1 б). Характерна особливість ковалентного зв’язку заклечається в тому , що електрони зв’язку належать зразу обом зв’язаним між собою атомам.

Рис. 1. Структура кремнію (а) та ковалентний зв’язок атомів (б) Для наглядності атомну гратку германію або кремнію зображують у вигляді

плоскої сітки, в якій кожний атом з’єднується з чотирма сусідніми атомами (рис. 2)

Рис.2. Схематичне зображення кристалічної гратки кремнію.

2. Власна провідність напівпровідників

Напівпровідники без домішок і дефектів кристалічної гратки називають влас-

ними напівпровідниками або бездомішковими. Такі напівпровідники у вузлах кристалічної гратки мають лише свої атоми. При температурі абсолютного нуля (- 273 С) всі валентні електрони в власному напівпровіднику зв'язані. Якщо такий кристал розмістити в електричне поле, то електричний струм не виникне, так як відсутні вільні електрони; а тому в цих умовах напівпровідник має властивості ідеального зв’язку.

Якщо валентному електрону надати порцію енергії більшу ніж ширина забороненої зони DW, то він розриває ковалентний зв'язок і стає вільним носієм електричного заряду. Він може вільно рухатися по кристалу. Для Ge ширина забороненої зони складає 0,78 еВ, для Si – 1,21 еВ.

Звільнення валентних електронів може проходити за рахунок тепла, світла, електричного поля і різних видів випромінювання. При нагріванні напівпровідника атоми кристалічної гратки знаходяться в коливальному русі з амплітудою, про-

порційною температурі. Енергія, яку отримують окремі атоми за рахунок теплового руху, неоднакова, а тому при температурі, відмінній від нуля, завжди є вірогідність того, що якісь електрони за рахунок теплових коливань отримують енергію більшу за ширину забороненої зони і стануть вільними. Причому, чим вища температура і менша ширина забороненої зони, тим більше буде таких електронів.

Якщо валентний електрон розриває ковалентний зв'язок і стає електроном провідності, то в цьому місці, де він знаходився, спостерігається місцеве порушення електричної нейтральності. Дійсно, якщо зв'язки заповнені, то позитивний заряд ядер компенсується від'ємним зарядом електронів, а звільнення одного з електронів приводить до того, що в цьому місці, звідки він вийшов, буде переважати позитивний заряд ядер, рівний за абсолютною величиною заряду електрона. Таким чином, виходить, що місце звільнене від валентного електрона має позитивний заряд. Ці позитивні заряди (вакантний енергетичний рівень у -4- валентній зоні) називають дірками, оскільки вони виникають, коли немає електрона у ковалентному зв'язку. Дірка може бути заповнена із сусіднього зв'язку. При цьому один зв'язок заповниться, а другий розірветься (рис. 3,а). Значить дірка може рухатися по кристалу, а разом з нею буде рухатись і позитивний заряд. Причому переміщення дірок відбувається у напрямі протилежному руху електронів у валентній зоні

а) б)

Рис.3. Схема утворення пар електрон-дірка в кристалі кремнію (а) та його енергетична діаграма (б).

Iдр.n та діркового струмів провідності Iдр.p які можна виразити через густину струму:

де S – площа перерізу зразка (кристалу).

Рис.4 Поперечний переріз кристалу напівпровідника

Густина дрейфового струму Iдр дорівнює сумі густин дрейфових електронного

Iдр.n і діркового Iдр.p струмів:

Iдр = S · др. = S ( др.n + др.p), тоді

др. = др.n + др.p (6)

Розглянемо взірець власного напівпровідника із площею поперечного перерізу