Лекция 1

1.1 Общие сведения о полупроводниках

Все материалы (вещества) условно делятся на 3 группы:

1. металлы;

2. полупроводники;

3. диэлектрики.

По удельному электрическому сопротивлению они различаются следующим образом:

металлы

полупроводники

диэлектрики

10⁸÷10⁹

Ом*м

10^-6÷10^-5

К полупроводниковым материалам относится группа твердых кристаллических тел, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Полупроводниками являются элементы четвертой группы таблицы Менделеева, например Германий (Ge), Кремний (Si) или Селен (Se), и соединения элементов, например арсенид галлия (GaAs), фосфорит галлия (GaP), карбид кремния (SiC).

Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является возрастание их электропроводности с ростом температуры и при введении в полупроводник специальных примесей.

При повышении температуры удельное электрическое сопротивление у металлов увеличивается, у полупроводников – уменьшается.

1.2 Собственные полупроводники

Кремний и Германий – это элементы четвертой группы периодической системы элементов Менделеева. Они имеют по 4 валентных электрона, которые участвуют в парно-электронных или ковалентных связях с соседними атомами. Эти связи характеризуются перекрытием внешних электронных оболочек атомов и пара электронов в ковалентной связи, принадлежит двум соседним атомам. При повышении температуры часть электронов, имеющих большую энергию, освобождается от связей и становятся свободными носителями заряда (могут свободно перемещаться в межатомном пространстве). При этом в разорванной ковалентной связи как бы появляется положительный заряд, по величине равный заряду электрона, который и приписывают дырке. Фактическое движение электронов (связанных электронов) по ковалентным связям может быть заменено движением дырки в противоположном направлении. Образование свободных электронов и дырок называют генерацией носителей заряда. Она происходит при нагревании полупроводника (тепловая генерация) и при воздействии на полупроводник квантового света (световая генерация),

Рис. 1.1 Полупроводник

электрических полей, поляризующих излучений. Одновременно с генерацией идет обратный процесс – рекомбинация носителей заряда. В результате чего исчезают пары носителей заряда. В состоянии термодинамического равновесия процессы генерации и рекомбинации уравновешены. При этом в полупроводнике существуют равновесные концентрации электронов и дырок(n₀, p₀). При воздействии на полупроводник нетепловых внешних факторов из-за генерации новых носителей в полупроводнике появляются неравновесные концентрации(n, p). Избыточные концентрации называют разность:

Δn = n – n₀

Δp = p – p₀

1.3 Примесные полупроводники

Большинство полупроводниковых приборов изготавливают на основе примесных полупроводников. Примесные полупроводники получают из собственных с помощью введения донорных или акцепторных примесей.

Акцепторные примеси – элементы третьей группы периодической системы элементов Менделеева (индий, галлий, алюминий и т.д.). Атомы акцепторной примеси принимают (поглощают) свободные электроны и, соответственно, поставляют дырки. Атом акцепторной примеси имеет 3 валентных электрона, следовательно, одна новая ковалентная связь не заполнена и ее заполняет электрон из соседнего атома. При этом образуется дырка и отрицательный ион. В полупроводнике с акцепторной примесью концентрация дырок (p_р) много больше концентрации электронов (n_р), которые так же образуются в результате естественной генерации и, следовательно, основными носители заряда в полупроводнике являются дырки, а неосновными – электроны. Электропроводность такого полупроводника дырочная, а сам полупроводник называется полупроводником p-типа.

Рис. 1.2 Полупроводник р-типа

Донорные примеси – элементы пятой группы таблицы Менделеева (сурьма, фосфор, мышьяк и т.д.). Атомы донорной примеси поставляют свободные электроны. Атомы донорной примеси замещают часть атомов собственного полупроводника. Четыре валентных электрона атома донора, участвуют в новых связях, а пятый связан с атомом слабее и при слабых воздействиях превращается в свободный электрон. Сам атом при этом становится примесью. Концентрация свободных электронов (n_n) много больше, чем концентрация дырок (p_n), которые так же образуются в результате естественной генерации. В таком полупроводнике основные носители заряда – электроны, а неосновные – дырки, электропроводность полупроводника электронная, а сам полупроводник называется полупроводником n-типа.

Рис. 1.3 Полупроводник n-типа

Объем полупроводника n-типа или p-типа остается электрически нейтральным, если носители заряда не покидают пределы полупроводника.