Параметры полупроводниковых материалов

1. Ширина запрещенной зоны - параметр, количественно отражающий структуру энергетического спектра электронов в кристалле данного полупроводника (рис. 1.1). Чем химически стабильнее данный полупроводник и чем выше его температура плавления, тем шире запрещенная зона. Значение ширины запрещенной зоны прямо определяет многие электрические и оптические свойства и параметры полупроводников (табл. 6):

а) температурную зависимость электропроводности и значение максимальной рабочей температуры;

б) край полосы пропускания, определяющий прозрачность полупроводника для света данной длины волны. Край полосы пропускания связан с шириной запрещенной зоны уравнением

l_кр = 1,24/j_з, (1.1)

где l измеряется в микрометрах (мкм);

в) длину волны света, испускаемого p - n переходом в результате излучательной рекомбинации.

1. Ширина запрещенной зоны. ( j_з, эВ) - энергия, которая необходима, чтобы вырвать электрон из связи. j_з - не является константой материала, т. к. меняется с ростом температуры. Поэтому в справочниках указывают температуру при которой измерено jз. Она является структурно не чувствительным параметром до тех пор, пока полупроводник не становится вырожденным. Она определяет и многие другие свойства полупроводниковых материалов, например верхнюю рабочую температуру полупроводниковых приборов. Чем больше jз, тем больше эта верхняя рабочая температура полупроводникового материала. Значение верхних рабочих температур приведено в таблице 6.

Ширина запрещенной зоны (j_з) определяет концентрацию собственных зарядов полупроводника (n_i) и чем больше j_з, тем больше концентрация собственных зарядов. Соотношение j_з и n_i приведено в таблице 1. Она так же определяет длину волны света, испускаемого полупроводником при излучательной рекомбинации, так называемую красную границу (l_кр) испускания. Значение l_кр определяется выражением:

,

где с – скорость света, h=6,662 ∙10^-34 Дж∙с

Чем больше j_з, тем меньше l_кр. Значение lкр определяет оптическую прозрачность полупроводника. Для кремния с j_з=1,12 эВ красная граница лежит за пределами видимого спектра, фосфид индия имеет j_з = 0,6 эВ, поэтому l_кр находится в пределах видимого света, и он прозрачный материал жёлтого цвета.

2. Концентрация собственных носителей заряда n_i. Значение концентрации собственных зарядов определяется выражением

n_i = p_i = (N _c N _v)^1/2exp(- j_з/2j _Т), (1.2)

где j _Т = k T / e - температурный потенциал, а N _c и N _v - мало зависящие от температуры множители, в которые входят эффективные массы соответственно электронов и дырок. Значения n_i для ряда полупроводников приведены в табл. 6.

Таблица 6

Параметры	Полупроводники
Ge	Si	GaAs	GaP	GaSb	InP	InSb
Ширина запрещенной зоны при 298 К, эВ	0,75	1,12	1,43	2,26	0,72	1,35	0,18
Концентрация свободных носителей заряда при 298 К, см ^–3	2,5·10^13	3·10^10	1,29·10^6	2,73	6,1·10^11	6,9·10^4	-
Подвижность электронов в слаболегированном материале при 298 К, см^2/(В·с)
Подвижность дырок в слаболегированном материале при 298 К, см^2/(В·с)
Относительная диэлектрическая проницаемость	16,0	12,5	13,8		15,7	12,1	17,72

Концентрация носителей заряда сильно зависит от температуры и радиации. Она определяет концентрацию электронов и дырок в примесном полупроводнике. Это следует из закона действующих масс

np = n_i ² = const. (1.3)

ni − концентрация собственных носителей заряда (cм³, м³).

Значение ni указывается при строго определенной температуре, т. к. cильно зависит от нее. Эта зависимость носит экспоненциальный характер и определяется выражениием:

n_i =Aexp(-φ_з/2φ_т)

Графическая зависимость изображается как функция ln n_i от 1/Т и представлена на рис. 1.2.

3. Подвижность свободных зарядов m _n и m _р. Характеризует скорость дрейфа, приобретаемую свободными носителями в электрическом поле единичной напряженности, например, 1 В/см. Она имеет размерность квадратный сантиметр на вольт-секунду (см²/(В·с)). Почти все полупроводники имеют подвижность электронов m _n больше, чем подвижность дырок m _р (m _n > m _р). Подвижность свободных носителей зарядов зависит от температуры окружающей среды и концентрации примесей в полупроводнике. Подвижность является параметром, определяющим быстродействие полупроводниковых приборов. Подвижность связана с коэффициентом диффузии свободных зарядов соотношением Эйнштейна D = j _Т m _n, где j _Т = Т /11600 - температурный потенциал, при температуре 300 К j _Т = 0,026 эВ.

Подвижность равна дрейфовой скорости свободных зарядов в поле напряженностью 1в/м или 1в/см. Единицей измерения подвижности являются (см²/В×с; м²/В×с). Подвижность определяет быстродействие полупроводниковых приборов. Поскольку, m_n>m_p, то приборы на электронных полупроводниках являются более высокочастотными, чем на дырочных. Подвижность является структурно-чувствительным параметром и, с увеличением концентрации примеси, подвижность падает. Значение подвижности так же зависит от температуры, и эта зависимость приведена на рис. 1.3.

4. Эффективная масса электронов и дырок m _n, m _p приводится в соотношении к массе покоя частиц.

5. Относительная диэлектрическая проницаемость Е.

6. Плотность материала d (кг/м³).

7. Удельное сопротивление собственных полупроводников ρ _i.

Особенностью полупроводников является зависимость их проводимости от типа примеси (рис. 1.4). Это позволило создавать на их основе электронные и дырочные полупроводники. На участке рабочих температур n_n=Ng у примесных полупроводников n -типа. Это правило выполняется до определенного предела. Для каждой примеси существует предел растворимости.

Дата добавления: 2015-10-21