1. Общая характеристика веществ в электронике

1.1 Электрические свойства веществ. Полупроводники

Проводники содержат большое количество носителей заряда, способных перемещаться под действием электрического поля. Такие заряды называют подвижными, их направленное движение – электрическим током. Сила тока i определяется скоростью перемещения суммарного заряда подвижных носителей Q: i = dQ/dt. Способность вещества пропускать ток называется электропроводностью. Электропроводность определяется, главным образом, плотностью концентрации, или просто концентрацией подвижных носителей – их количеством в единице объёма. Типичными проводниками являются металлы. Для них характерна высокая концентрация подвижных зарядов – свободных электронов.

Диэлектрики практически не содержат подвижные заряды, их электропроводность ничтожна. Такими свойствами обладает большое число веществ.

Полупроводники занимают промежуточное положение по электропроводности межу проводниками и диэлектриками. Типичным и самым распространённым в электронике полупроводником является кремний (Si). Широкое применение находят также некоторые соединения, например арсенид галлия (GaAs).

Чистые, или собственные полупроводники содержат атомы только одного вида. Если в полупроводник при изготовлении намеренно введены примеси определённого вида в необходимой концентрации, то это примесный полупроводник. Полупроводники, как правило, используются в кристаллическом виде. В кристаллах атомы располагаются на строго определённых расстояниях друг от друга, в строго определённом взаимном расположении. Это гарантирует предсказуемость и повторяемость электрофизических свойств полупроводника, их однородность и следовательно, независимость от источника сырья, места, времени и условий изготовления.

Кристаллическая решётка кремния условно изображена на рис. 1. Кружки здесь – атомы кремния, двойные линии между кружками – связи между атомами. Такие связи возникают благодаря валентности – способности атомов соединяться и удерживаться на определённом расстоянии друг от друга. Валентные связи обеспечиваются парами валентных электронов – электронов внешней, валентной орбиты (оболочки), по одному от каждого из связанных атомов атома. Именно внешними оболочками «соприкасаются» атомы при сближении и именно валентные электроны образуют связи с соседними атомами. Согласно рис. 1 каждый атом кристаллического кремния обладает четырьмя валентными электронами и связан с четырьмя соседними атомами, т.е. валентность кремния равна 4.

Рис. 1

На рис.1 кристаллическая решётка изображена в идеальном состоянии.

Однако в реальности полупроводник не может быть абсолютно чистым и бездефектным. От посторонних примесей и дефектов тщательно избавляются при изготовлении кристаллов для электронных элементов.

2. Электрические заряды в полупроводниках

Идеальное состояние решётки невозможно также при любой температуре, превышающей абсолютный нуль. При этом атомы и электроны хаотично колеблются относительно своих исходных положений, т.е. обладают некоторой тепловой энергией. Амплитуда и направление колебаний случайны и, вследствие обмена энергией при сближениях соседних атомов энергия хаотических тепловых колебаний электронов в некоторые моменты времени оказывается достаточной, чтобы они преодолели притяжение ядра и покинули атом. Такие электроны называются свободными или электронами проводимости, т.к. способны направленно двигаться под действием электрического поля. Свободными становятся, прежде всего, валентные электроны, наиболее удалённые от ядра и наименее с ним связанные.

На месте валентного электрона, ставшего свободным, образуется так называемая дырка – микрообласть с зарядом +q *, в которой отсутствует валентный электрон. Заряд появляется здесь вследствие нарушения равенства суммарного заряда электронов атома и заряда его ядра. Процесс образования свободного электрона и дырки, или электронно-дырочной пары, называется генерацией, рис. 2а. Если генерация обусловлена теплом, то это термогенерация. Генерация может вызываться и другими видами энергии, например, световой при освещении полупроводника.

Рис. 2

Одновременно с генерацией происходит обратный процесс – рекомбинация. При этом перемещающийся по полупроводнику свободный электрон совпадает с дыркой, заполняет её и вновь становится валентным. Восстанавливается валентная связь и электрическая нейтральность данной микрообласти, свободный электрон и дырка исчезают, рис. 2б. В собственном полупроводнике генерация и рекомбинация свободных электронов и дырок происходит только парами, поэтому собственная концентрация свободных электронов n_i и собственная концентрация дырок p_i равны. Генерация происходит за счёт поглощения внешней энергии. Рекомбинация сопровождается её выделением, так как свободный электрон, превращаясь в валентный, теряет часть своей энергии. В частности, при рекомбинации полупроводник может светиться, что используется в светодиодах.

Дырка, как и свободный электрон, считается подвижным носителем заряда. При перемещении дырка заполняется не свободным, а соседним валентным электроном. Валентный электрон при этом остаётся валентным, его энергия не изменяется. Дырка исчезает на прежнем месте и возникает на новом месте, т.е. перемещается. Хотя при этом фактически перемещаются валентные электроны, воспринимается это, как перемещение единичного положительного заряда. Таким образом, перемещение зарядов в полупроводнике, т.е. возникновение тока, вызывается независимым друг от друга движением свободных электронов и дырок. Поэтому ток в полупроводниках может иметь как электронную I_n, так и дырочную I_p составляющие. Движение дырки поясняет рис. 3.

* q – элементарный, или единичный электрический заряд, равный …. Кл. Заряд электрона равен –q, дырки +q.

Рис. 3

Наряду с подвижными зарядами важную роль имеют неподвижные заряды – ионизированные атомы веществ, чаще всего примесей. Ионами называют атомы, утратившие часть своих электронов (положительные ионы) или захватившие посторонние электроны (отрицательные ионы). Ионы в твёрдых веществах не способны перемещаться и создавать ток. Однако, как и любые другие электрические заряды, они способны создавать электрическое поле, влияющее на подвижные заряды.

2. Энергетические диаграммы

Энергетическая диаграмма – график с главной осью y, на которой откладываются значения энергии W электронов вещества, обычно в электрон-вольтах, (эВ). Ось x позволяет отобразить изменение энергии вдоль главной координаты, в направлении движения носителей заряда. На рис. 4 изображена энергетическая диаграмма собственного полупроводника для образца с длиной l. Заштрихованные области соответствуют возможным значениям энергии электронов (разрешённые зоны). Просветы между ними – запрещённые зоны. Электронов с энергиями в пределах запрещённых зон в веществе нет.

Количество разрешённых и запрещенных зон в различных веществах различно.

В проводниках запрещённых зон нет вообще, в диэлектриках верхняя запрещённая зона очень широкая. Для полупроводников в электронике наиболее важны три верхних зоны (рис. 4). Самая верхняя из них, зона проводимости, соответствует энергиям свободных электронов. Под ней располагается запрещённая зона, электронов в которой нет*. Нижняя разрешённая зона – валентная зона, соответствует энергиям валентных электронов.

* Часто используемое выражение «электрон находится в зоне…» указывает не на место его расположения в пространстве, а на значение его энергии.

На энергетической диаграмме можно отобразить важные величины:

W_з – ширина запрещённой зоны;

W_c – дно зоны проводимости;

W_v – потолок валентной зоны.

Рис. 4

Энергетические диаграммы позволяют также графически отображать состояния и процессы в полупроводниках. Например, рис. 5 иллюстрирует генерацию и рекомбинацию в собственном полупроводнике.

Рис. 5

Очевидно, что для превращения валентного электрона в свободный электрон необходима энергия не меньше

W_з = W_c - W_v (1)

Очевидно, что чем шире запрещённая зона полупроводника, тем слабее термогенерация и меньше собственная концентрация.

Такая же энергия выделяется при рекомбинации в виде тепла или света. Поэтому энергия кванта света hν при свечении полупроводника и, следовательно, цвет свечения определяются шириной запрещённой зоны:

hν = hc / λ = W_з, (2)

где h - постоянная Планка; ν, λ, c - частота, длина волны и скорость света.

Отсюда разнообразие полупроводников в светодиодах и в пикселах светодиодных экранов.

2. Электропроводность полупроводников

В физике полупроводников вместо понятий ток I и напряжение U удобнее пользоваться понятиями плотность тока J [А/м²] и напряжённость поля E [В/м]. В этом случае закон Ома имеет вид:

J = E/ρ (3) или J = σE, (4)

где ρ – удельное сопротивление [Ом/м], σ – удельная проводимость [См/м]. Очевидно, что электропроводность полупроводника тем больше, чем больше заряд свободных электронов и дырок -q и q, чем больше их концентрации n и p и чем быстрее они способны двигаться под действием электрического поля:

σ = q(µ_nn + µ_pp) (5)

Здесь µ_n и µ_p - коэффициенты подвижности свободных электронов и дырок – средние скорости их движения под действием электрического поля с напряжённостью 1 В/м.

Подстановка (5) в (4) даёт:

J = q(µ_nn + µ_pp)E (6)

Электронная и дырочная составляющие плотности тока складываются, так как противоположны и направления движения свободных электронов и дырок и знаки их зарядов.

Средняя скорость электронов (следовательно, и дырок) относительно невелика из-за столкновений электронов с атомами кристаллической решётки. При столкновениях часть кинетической энергии движущихся электронов передается атомам, чем вызывается выделение тепла в любой проводящей среде при протекании в ней тока.

Электропроводность собственного полупроводника быстро (экспоненциально) растёт с увеличением температуры, так как при этом усиливается термогенерация электронно-дырочных пар и растёт их концентрация.