Структура полупроводника, влияние примеси и температуры на его проводимость - Основные свойства полупроводников

Само название "полупроводник" произошло от различия электропроводности полупроводников от электропроводности металлов и диэлектриков.

Действительно

Но этот признак не является решающим в классификации.

Основными свойствами, отличающими полупроводники от других твердых тел, являются следующие:

Характер и величина зависимости электропроводности от температуры. Проводимость полупроводников возрастает с увеличением температуры по экспоненциальному закону

(на 1° Кельвин)

У металлов увеличение температуры приводит к уменьшению проводимости.

Сильное влияние примеси на проводимость. Что значит сильнее? Концентрация примеси, % уже существенно увеличивает проводимость. У металлов же введение примеси уменьшает проводимость. Почему?

Высокая чувствительность электрических свойств полупроводников к всякого рода внешним воздействиям (механическая деформация, облучение светом, рентгеновскими лучами или быстрыми частицами и др.).

В электронике находят применение ограниченное число полупроводников. Это германий, кремний, арсенид галлия, антимонид индия и др.

Кристаллическая структура полупроводников и зонная теория

1. Применяемые в технике полупроводники имеют весьма совершенную кристаллическую структуру - атомы размещены в пространстве на постоянных расстояниях, образуя кристаллическую решетку. Такие полупроводники, как германий и кремний имеют структуру типа алмаза, в которой каждый атом окружен такими же атомами, находящимися в вершинах правильного тетраэдра. Плотность размещения атомов для германия 4,45-1022 1/см3, для кремния - 5-1022 см -3.

Каждый атом в кристаллической решетке или электрически нейтрален и связан ковалентными (парно-электронными) связями с четырьмя равноотстоящими от него соседними атомами. В полупроводниках типа ионно-ковалентная связь. Валентные электроны распределяются между соседними атомами. В результате каждый атом окружен стабильной группой из восьми электронов связи.

2. Если не нужно выделять кристаллографического направления, такую решетку изображают на плоскости (рисунок ).

Рисунок Кристаллическая решетка, изображенная на плоскости

Это идеальная решетка. При все узлы заняты, все связи заполнены. Свободных носителей заряда нет.

3. С точки зрения зонной теории твердого тела, такой кристалл изображается энергетической диаграммой, представленной на рисунке 1.2.

Рисунок - Энергетическая диаграмма полупроводников

Рисунок - Зависимость функции распределения электронов от энергии при Т=0 К

Заполнение энергетических уровней электронами подчиняется статистике Ферми-Дирака, в основе которой лежат следующие положения:

Все электроны тождественны;

Выполняется принцип Паули;

Функция распределения, т. е. вероятность заполнения уровня с энергией W имеет следующий вид:

Где - энергия Ферми, смысл-уровень энергии, вероятность заполнения которого равна.

По определению функция распределения есть отношение числа частиц с энергией в интервале от W до W+dW к числу возможных состояний в этом же интервале энергий N(W), т. е.

При (обычный случай для полупроводников, используемых для приборов) единицей в знаменателе функции распределения Ферми-Дирака можно пренебречь, и функция принимает вид

Зная функцию распределения и можно определить число частиц с определенной энергией:

Где k - постоянная Больцмана.

При T=0 (рисунок 1.3) валентная зона полностью заполнена f(W)=1 (это электроны, участвующие в ковалентных связях); зона проводимости пустая f(W)=0 (свободных носителей заряда нет), ?W - ширина запрещенной зоны. Уровень Ферми расположен строго посередине запрещенной зоны.

Верхняя, не полностью заполненная, энергетическая зона в полупроводниках получила название зоны проводимости. Следующая за ней энергетическая зона получила название валентной зоны. Энергетическая щель запрещенных состояний между этими зонами называется запрещенной зоной. На зонных диаграммах положение дна зоны проводимости обозначают значком Ec, положение вершины валентной зоны - Ev, а ширину запрещенной зоны - Eg.

Поскольку в полупроводниках ширина запрещенной зоны меняется в широком диапазоне, то вследствие этого в значительной мере меняется их удельная проводимость. По этой причине полупроводники классифицируют как вещества, имеющие при комнатной температуре удельную электрическую проводимость ? от 10-8 до 106 Ом-см, которая зависит в сильной степени от вида и количества примесей, структуры вещества и внешних условий: температуры, освещения (радиации), электрических и магнитных полей и т. д. Электрические свойства полупроводников зависят от содержания в них атомов примесей и от различных дефектов кристаллической решетки: пустых узлов, атомов или ионов, находящихся между узлами решетки и т. д. Примеси делятся на акцепторные и донарные.

Акцепторные примеси: атомы акцепторных примесей принимают один или несколько электронов, превращаясь в отрицательный ион. Например, для четырехвалентных атомов кремния и германия акцепторным является трехвалентный атом индия (In). В результате внедрения атома индия в кристалл между атомом индия и четырьмя атомами кремния образуется устойчивая восьмиэлектронная оболочка за счет дополнительного электрона, отобранного у одного из соседних атомов полупроводника. На месте ушедшего электрона образуется дырка, которая добавляется к собственным дыркам, порожденным термогенерацией. Таким образом, полупроводник будет обладать преимущественно дырочной электропроводностью. Такой полупроводник называют полупроводником р-типа. Акцепторные примесные уровни расположены вблизи валентной зоны, выше нее на = 0.01...0.05 эB.

Донорные примеси: атомы донорных примесей имеют валентные электроны, слабо связанные со своим ядром. Эти электроны могут легко перейти в зону проводимости полупроводника, в который внедрен атом донорной примеси. При этом атом донорной примеси превращается в положительный ион, а его электрон добавляется к свободным электронам собственной электропроводности.

Донорный уровень находится в верхней части запрещенной зоны полупроводника. Переход электрона с донорного уровня в зону проводимости происходит в случае приобретения им небольшой дополнительной энергии. В этом случае концентрация свободных электронов в полупроводнике превышает концентрацию дырок и полупроводник тогда обладает преимущественно электронной электропроводностью. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа.

Например, для кремния и германия донором будет атом пятивалентной сурьмы (Sb): его четыре валентных электрона вступают в ковалентную связь с четырьмя электронами атомов полупроводника и оказываются в связанном состоянии. Оставшийся пятый электрон сурьмы оказывается свободным.

Влияние температуры на электрофизические параметры полупроводников в основном проявляются в изменении концентрации носителей заряда, что приводит к соответствующему изменению электрической проводимости.

На этом принципе работают полупроводниковые терморезисторы.

Увеличение проводимости полупроводника с повышением температуры является их характерной особенностью (у металлов с повышением температуры проводимость уменьшается).

Похожие статьи




Структура полупроводника, влияние примеси и температуры на его проводимость - Основные свойства полупроводников

Предыдущая | Следующая