МЭТ-2

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

===========================================

==

Таганрог 2006

УДК 621.315.4/61:621.38(075.8)+621.38.002.3(075.8)

Составители: О.Н. Негоденко, С. П. Мирошниченко.

Методическое пособие «Материалы электронной техники» Часть 2. Конспект лекций. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006, 47 c.

Табл. 3. Ил. 42. Библиогр.: 14 назв.

В пособии приводятся основные физические явления в полупроводниках и активных диэлектриках, описываются их электрические, физико-химические и механические свойства. Методическое пособие предназначено для изучения курса «Материалы электронной техники» студентами специальностей 210200, 210600, а также может быть полезно студентам других специальностей.

Рецензент Е. Т. Замков, кандидат технических наук, доцент кафедры КЭС, ТРТУ.

больше электронов будет заброшено энергией теплового движения в зону проводимости, тем больше будет вероятность рекомбинации, т.е. их обратного перемещения. Поэтому при любой температуре устанавливается определённое количество электронов в зоне проводимости как результат динамического равновесия между процессами ионизации атомов и рекомбинацией:

4×1016 см− 3град− 32 для кремния. Из этой формулы следует, что при Т=293К для германия n = 1013 см− 3 , для кремния n = 1,27 × 1010 см− 3

Особенностью п/п является то, что в создании электрического тока участвуют не только электроны, а и так называемые дырки.

На рис.2 показаны зонные диаграммы. Для твёрдых тел за счёт взаимного влияния соседних атомов друг на друга энергетические уровни расщепляются на множество уровней, которые и составляют зону проводимости и валентную

зону. Ширина запрещённой зоны ΔЕ располагается между крайними уровнями валентной зоны и зоны проводимости. Посреди запрещённой зоны прохо-

дит уровень Ферми Efc.

Под ним понимают тот уровень, вероятность заполнения которого равна

½. Уровень Ферми представляет собой химический потенциал, т.е. свободную

энергию в расчёте на один электрон, способный участвовать в создании проводимости. Уровень Ферми определяется из условия постоянства количества электронов в кристалле независимо от распределения их по энергиям.

Т=0 Т>0(=300K)

Зона

проводимости

Е fc Е

Уровни валентной

зоны

Рис.2

Из рис.2 видно, что при Т = 0 все электроны находятся в валентной зоне. При Т > 0 часть электронов переход в зону проводимости. Свободное квантовое состояние, которое покинул электрон, называют дыркой. Это квантовое

состояние может быть занято как электронами соседних уровней, так и электронами других атомов. Дырки ведут себя подобно частице с положительным зарядом, равным заряду электрона. При помещении п/п в электрическое поле электроны будут перемещаться в направлении, противоположном направлению напряжённости электрического поля, а дырки – в направлении поля. Об-

щая проводимость γ = γ э + γ д = qμ nn + qμ p p , где γ э - электронная проводимость, γ д - дырочная проводимость, μ n и μ p - подвижности электронов и

дырок, n и p - концентрации электронов и дырок. В чистом (собственном) п/п ni = pi, тогда γ = qni (μ n + μ p ).

В примесном п/п находятся примеси, которые делятся на примеси замещения и примеси внедрения. Примеси нарушают периодичность кристалла и образуют в энергетическом спектре п/п дополнительные уровни, расположенные в запрещённой зоны, что показано на рис.3

Примеси, создающие дополнительные уровни вблизи дна зоны проводимости, называются донорными (рис. 3а) примесями, создающие дополнительные

уровни вблизи потолка валентной зоны, называются акцепторными. Efп – уровень Ферми для примесного п/п. С ростом температуры положение Efп меняет-

ся. Для Ge и Si элементы 5 группы таблицы Менделеева - донорные, 3 группы - акцепторные. В случае наличия донорных примесей тепловой переброс электронов с донорных уровней в зону проводимости более вероятен, чем переход

электронов из валентной зоны, т.к. Ε д < < Ε . При этом число электронов в

зоне проводимости больше числа дырок в валентной зоне. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник - полупроводником п- типа. Общая проводимость.

γ = niqμn+ piqμp+nnqμn ≈ nnqμn.

При низких температурах поставщиком носителей заряда являются атомы примесей, т.к. они легче ионизируются Ε п < Ε - участки аб, а1б1, а2б2.

На участках бв, б1в1, примесные атомы уже ионизированы, но энергии на хватает для ионизации собственных атомов п/п. Это участок истощения. Наклон участка, определяемого ионизацией примесей, зависит от концентрации

примесей N1, N2, N3 – с ростом концентрации примесей их энергия ионизации уменьшается, т.к. уменьшается расстояние между атомами, увеличивается

их взаимодействие (рис.6). При очень высоких концентрациях примесей N3 концентрация носителей заряда не зависит от температуры. Такой п/п называется вырожденным.

При высоких температурах ионизируются собственные атомы п/п, примесный п/п становится собственным. При ионизации атомов примесей получаются или только электроны или только дырки, а при ионизации собственных атомов п/п получаются и электроны, и дырки.

Зависимость подвижности носителей заряда от температуры в общем случае имеет вид, который показан на рис.7.

При низких температурах происходит рассеяние носителей заряда на ионах примесей. С ростом температуры расстояние между ионами увеличивается, подвижность возрастает. Затем при высоких температурах происходит рассеяние носителей заряда на тепловых колебаниях атомов в решётке. С ростом температуры амплитуда колебаний возрастает, подвижность падает. С увеличением концентрации примесей подвижность уменьшается и максимум в тем-

пературной зависимости μ смещается в область более низких температур. Подвижность носителей заряда с учётом механизма рассеяния представляется в виде:

где μ п - подвижность при рассеянии на ионах примеси, μ т - подвижность

при рассеянии на тепловых колебаниях атомов в решётке. Для атомарных п/п (Si, Ge) μ п (T ) » T 32 , а μ т (T ) » T − 32 .

Тогда,

μ1 = a × T − 32 + b × T 32

где а и b – коэффициенты пропорциональности.

Степень ±3/2- не у всех п/п (она может быть от ±1/2 до ±3).

С учётом выше сказанного, графики зависимости проводимости от температуры для собственного и примесного п/п-ов получаются такими, как показаны на рис.8 и рис.9.

Отсюда, как и для диэлектриков, энергия ионизации собственных атомов D E = 2k × tgβ , а энергия ионизации атомов примесей D E = k × tgα .

Таким образом, по графикам зависимости γ от Т определяют энергию ионизации атомов примесей и собственных атомов полупроводника.

15. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МАТЕРИАЛ

15.1. Влияние сильного электрического поля на проводимость полупроводников

Закон Ома в дифференциальной форме имеет вид: