- •Введение
- •1.Физические основы строения материалов
- •1.1. Квантово-механическая теория строения атома
- •1.2. Волновое уравнение электронов
- •1.3. Электронная конфигурация атомов
- •2. Строение твердого тела
- •2.1. Химическая связь в молекулах
- •2.2. Агрегатные состояния вещества
- •2.3. Строение твердых тел. Кристаллическая решетка
- •2.4. Дефекты кристаллических решеток твердых тел
- •2.5. Химические связи в кристаллах
- •2.6. Электронные состояния твердых тел
- •2.7. Металлы, диэлектрики, полупроводники с точки зрения зонной теории
- •3. Электропроводность полупроводников
- •3.1. Собственные полупроводники
- •3.2. Статистика свободных носителей заряда
- •3.3. Эффективная масса электрона
- •3.4. Концентрация свободных носителей и положение уровня Ферми в собственном полупроводнике
- •3.5. Примесные полупроводники
- •3.5.1. Донорные полупроводники
- •3.5.2. Акцепторные полупроводники
- •3.5.3. Оценка энергии активации и размеров примесных атомов
- •3.6. Рекомбинация носителей заряда
- •3.7. Концентрация свободных носителей заряда в примесном полупроводнике
- •3.7.1. Донорный полупроводник
- •3.7.2. Акцепторный полупроводник
- •3.7.3. Уравнение электронейтральности
- •3.7.4. Однородный вырожденный полупроводник
- •3.8. Связь между концентрациями носителей заряда в примесном и собственном полупроводниках (закон действующих масс)
- •3.9. Электрический ток в полупроводниках
- •3.10. Физические основы анализа полупроводниковых приборов
- •3.10.1. Общий порядок расчета
- •3.10.2. Неравновесные носители заряда
- •3.10.3. Уравнения непрерывности
- •4. Контактные явления в полупроводниках
- •4.1. Неоднородный полупроводник одного типа электропроводности
- •4.2. Электронно-дырочный переход в условиях равновесия
- •4.3. Энергетическая диаграмма р-n перехода в условиях равновесия
- •4.4. Расчет концентраций носителей заряда в электронно-дырочном переходе
- •4.5. Электронно-дырочный переход под воздействием внешнего напряжения
- •4.6. Толщина р-n перехода
- •4.7. Методика определения параметров р-п перехода
- •4.7.1. Основные параметры перехода
- •4.7.2. Граничные условия в области пространственного заряда
- •4.7.3. Анализ идеализированного диода
- •4.8. Вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода
- •4.9. Генерация и рекомбинация в электронно-дырочных переходах
- •4.10. Емкости p-n перехода
- •4.10.1. Барьерная емкость перехода
- •4.10.2. Диффузионная емкость перехода
- •4.11. Контакт между полупроводниками с одним типом электропроводности
- •4.12. Работа выхода
- •4.13. Контакт металл – полупроводник
- •4.14. Влияние состояния поверхности на характеристики электронно-дырочного перехода
- •4.14.1. Теория приповерхностной области пространственного заряда
- •4.14.2. Поверхностная проводимость
- •4.14.3. Расчет поверхностных токов
- •4.15. Гетеропереходы
- •5. Пробой электронно-дырочного перехода
- •5.1. Лавинный пробой
- •5.2. Туннельный пробой
- •5.3. Тепловой пробой
- •6. Кинетические и термоэлектрические явления в полупроводниках
- •6.1. Эффект Холла
- •6.2. Эффект Эттингсгаузена
- •6.3. Эффект Зеебека
- •6.4. Эффект Пельтье
- •6.5. Эффект Томсона
- •7.Фотопроводимость и поглощение света полупроводниками
- •7.1. Природа фотопроводимости
- •7.2. Зависимость фотопроводимости от интенсивности облучения
- •7.3. Люминесценция полупроводников
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •1.Физические основы строения материалов 4
- •2. Строение твердого тела 16
- •3. Электропроводность полупроводников 31
- •4. Контактные явления в полупроводниках 56
- •5. Пробой электронно-дырочного перехода 108
- •6. Кинетические и термоэлектрические явления в полупроводниках 116
- •7.Фотопроводимость и поглощение света 123
- •Владимир Михайлович Бардаков Алефтина Алексеевна Лессинг Основы физики полупроводников
2.4. Дефекты кристаллических решеток твердых тел
Идеальных кристаллов не бывает. Дефекты строения вещества обусловливают особые физические свойства материалов, которые широко используются в технике. К дефектам кристаллического твердого тела относятся любые нарушения периодичности электростатического поля кристаллической решетки: нарушение стехиометрического состава, наличие посторонних примесей, механически напряженные участки структуры, дополнительные кристаллографические плоскости (дислокации, трещины, поры). Примеры дефектов кристаллической решетки представлены на рис. 2.9.
Примесь – наиболее интересный с точки зрения электроники дефект кристаллической решетки. Примесь представляет собой наличие в узле кристаллической решетки атома другого вещества.
П оскольку атомы каждого вещества имеют свои размеры, то атом примеси может быть больше или меньше атомов основного вещества. Атом большего размера будет раздвигать соседние атомы, что приведет к возникновению механических напряжений и искажению электростатического поля. Если размеры атома примеси меньше, чем у основных атомов, то ближайшие атомы будут втягиваться в свободное пространство, что также приведет к искажению электростатического поля.
Одним из видов отклонений от идеальной структуры являются тепловые колебания решетки. Все атомы кристалла связаны между собой силами взаимодействия, называемыми упругими силами, и любое изменение положения одного из атомов приведет к соответствующему изменению положения всех остальных. При любой температуре в решетке всегда найдутся атомы, энергия которых превышает среднее значение энергии решетки. Они могут покидать свои узлы и переходить в междоузлия. Возникают сразу два дефекта: вакансия и атом в междоузлии (внедренный атом).
Вакансией называется незаполненный по той или иной причине узел кристаллической решетки. В местах нахождения вакансий кристаллическая решетка искажена, там возникают местные внутренние напряжения, которые обусловлены нарушениями однородности сил межатомного взаимодействия, существующей в идеальной кристаллической решетке.
В недренные атомы или атомы в междоузлии. В отдельных ячейках кристаллической решетки между ее узлами по каким-либо причинам могут оказаться лишние атомы данного или другого элемента. Внедренные атомы также искажают кристаллическую решетку и создают внутренние напряжения.
Дислокации – это линейные несовершенства кристаллической решетки. Дислокации можно представить следующим образом: если надрезать идеальный кристалл и сместить края надреза на величину, кратную периоду решетки, то внутри кристалла у краев надреза возникнет некоторое искажение, которое и является дислокацией.
Если края надреза сдвинуты параллельно надрезу, то образующаяся дислокация называется винтовой. Если края надреза раздвинуть и внутрь щели вставить или удалить из нее лишнюю атомную плоскость того же материала, то получится краевая дислокация.
2.5. Химические связи в кристаллах
К ристаллы классифицируются по типу химической связи между частицами. В установлении химических связей участвуют в основном электрические силы взаимодействия валентных электронов. По физической природе сил, действующих между частицами решетки, различают связи ионные, металлические, межмолекулярные и ковалентные.
Ионная связь. В узлах кристаллических решеток ионных кристаллов находятся разноименные ионы (рис. 2.10). Каждый ион в решетке окружен со всех сторон ионами противоположного знака, поэтому силы притяжения между ионами превышают силы отталкивания, возникающие между ионами одного знака. Ионным кристаллам присуща высокая энергия связи, которая служит причиной высокой прочности и высокой температуры плавления ионных кристаллов.
М еталлическая связь. Эта связь характерна для металлов. В узлах их решетки находятся положительные ионы, химическая связь между которыми осуществляется с помощью свободных электронов, образующих электронный газ (рис. 2.11). Металлическая связь возникает в том случае, когда в атомах невелико число валентных электронов, при этом они слабо связаны с ядрами. При образовании металлов электронные оболочки валентных электронов перекрываются, поэтому валентные электроны получают возможность переходить от одного атома к другому и свободно перемещаться по всему кристаллу. Свободные электроны как бы связывают положительные ионы в прочную структуру.
Межмолекулярная связь. Наблюдается в молекулярных кристаллах, содержащих в своих узлах устойчивые молекулы. Между молекулами действуют слабые силы междумолекулярного притяжения. Природа этих сил сводится к взаимодействию молекулярных диполей. Молекулы, образующие такие кристаллы, обычно полярны, то есть обладают дипольным моментом. Диполи молекул ориентируются так, что обращенные друг к другу концы соседних диполей разнополярны, и силы притяжения преобладают над силами отталкивания.
Ковалентная связь в кристаллах, как и в молекулах, осуществляется посредством электронных пар. Этой связью обладает большинство полупроводниковых соединений. В узлах решетки располагаются нейтральные атомы. Ковалентная связь имеет направленный характер, она образуется в том направлении, где плотность электронного облака спаренных электронов наибольшая. Другими словами, каждый атом решетки может взаимодействовать только с определенными атомами, а не со всеми, как в ионных кристаллах. Наиболее характерные ковалентные кристаллы образуются элементами четвертой группы периодической таблицы: углерод, германий, кремний.
В кристаллах германия и кремния атомы располагаются упорядоченно на таких расстояниях друг от друга, что их внешние электронные оболочки перекрываются и уровни s и р расщепляются в единую энергетическую зону.
В нормальном состоянии распределение валентных электронов в атомах этих элементов следующее: для углерода 2s22p2, для кремния 3s23p2 и для германия 4s24p2. В процессе образования кристалла происходит разделение спаренных s электронов, и один из них переходит на р уровень. В результате все четыре электрона становятся практически идентичными, с одинаковым видом электронного облака. Каждый атом с помощью этих четырех электронов взаимодействует с другими (рис. 2.12,а). Взаимодействие внешних электронных оболочек проявляется в том, что у электронов соседних атомов появляются общие орбиты, на которых в соответствии с принципом Паули не может находиться больше двух электронов с противоположными спинами. Эти общие орбиты связывают между собой атомы у германия и кремния посредством ковалентной связи.
Н а рис. 2.12,б показано схематическое изображение кристаллографической плоскости полупроводникового материала.