Собственная и примесная проводимости ПП

К полупроводникам относятся такие вещества, у которых удельное сопротивление лежит в пределахот10^-3 до10⁹ Ом×см. Однако такое количественное разделение всех веществ на полупроводники, диэлектрики и металлы чисто условное, так как отличие их более глубокое. Эти отличия будут более подробно рассмотрены в этой главе.

В качестве полупроводникового материала в микроэлектронике чаще всего используется кремний (Si), германий (Ge), арсенид галия (GaAs), реже антимониды, карбиды, окислы, сульфиды.

Плоская кристаллическая решетка, представленная на рис. 1.3, возможна только при температуре абсолютного нуля. Уже при комнатной температуре под действием тепловых колебаний атомов в решетке часть валентных связей разрывается. Количество разрушенных связей зависит от температуры. В результате этого процесса образуется свободный электрон и незаполненная (оборванная) связь между атомами кристаллической решетки (рис. 1.4). Эта незаполненная связь получила название дырки. Дырка также как электрон подвижна, совершает хаотическое или направленное движение внутри кристаллической решетки после своего появления, а затем рекомбинируется с одним из свободных электронов. Время существования дырки носит название времени жизни.

Атом любого вещества состоит из ядра и вращающихся вокруг него по определенным пространственным орбитам электронов. Электрон может проявлять себя как частица и как волна. О том, что электрон частица говорят его масса (me = 9,1×10^-29 г (в вакууме)), размер (de (диаметр) = 2×10^-13см) и заряд (ge = 1,6×10^-19 кл), а о том, что электрон это волна, говорят его волновые свойства – это свойства дифракции.

При количественном анализе полупроводниковых материалов и полупроводниковых приборов используется не пространственное представление атома, а энергетическая или зонная диаграмма полупроводника. Для того, чтобы перейти от пространственной орбиты к энергетическому уровню, воспользуемся исследованиями французского физика де-Бройля, который установил, что каждой пространственной орбите соответствует строго своя длина волны, а длина волны определяется энергией электрона, а именно λ = , где W = mv ²/2(энергия электрона). Поэтому можно говорить не о пространственных орбитах, а об энергетических уровнях или потенциальных уровнях, так как W = φ× e, где φ – потенциал. Исходя из сказанного, энергетическая диаграмма изолированного атома выглядит так, как показано на рис. 1.9.

Чем больше W электрона, тем на более высоком энергетическом уровне он находится.

В твердых веществах атомы находятся близко друг к другу, поэтому внешние оболочки атомов взаимодействуют друг с другом. Следовательно, энергетические уровни одного атома могут занимать промежутки энергетических уровней другого атома. В твердом теле происходит размывание энергетических уровней, которые сливаются в энергетические зоны (разрешенные и неразрешенные).

Различают три энергетические зоны:

1. Валентная зона (ВЗ) – совокупность разрешенных энергетических уровней, на которых находятся электроны при температуре абсолютного нуля (т.е. когда электроны обладают минимальной энергией).

2. Зона проводимости (ЗП) – совокупность разрешенных энергетических уровней, находясь на которых электрон становится свободным, он слабо связан с атомом, может его покинуть и участвовать в хаотическом или направленном движении.

3. Запрещенная (ЗЗ) – совокупность энергетических уровней, вероятность нахождения электронов на котором равна нулю.

В зависимости от взаимного расположения этих трех зон все материалы делятся на три группы: металлы, диэлектрики, полупроводники (рис. 1.10).

В металлах валентная зона и зона проводимости перекрываются, поэтому даже при температуре абсолютного нуля в зоне проводимости имеются свободные электроны и металлы, при такой температуре обладают сверхпроводимостью. У полупроводников ЗП и ВЗ разделены запрещенной зоной, поэтому при температуре абсолютного нуля в зоне проводимости нет свободных электронов, полупроводник становится идеальным диэлектриком. У диэлектриков ЗП и ВЗ тоже разделены запрещенной зоной, но ширина ее больше, чем у полупроводника, а, следовательно, проводимость диэлектрика меньше, чем у полупроводника.

Дата добавления: 2015-07-25