Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 [25] 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169



Рис. 5.1, Кристаллическая решетка кремния и германия в плоскостном изображении

Рис. 5.2. Движение свободного электрона и дырки в полупроводнике. Сплошная линия показывает движение электрона, а штриховая - движение дырки

ческой решетке. Таким образом, на внешней оболочке находятс четыре своих электрона и четыре электрона, заимствованные у четырех соседних атомов. При температуре абсолютного нуля все электроны внешних оболочек участвуют в ковалентных связях. При этом кремний и германий являются идеальными изоляторами, так как не имеют свободных электронов, создающих проводимость.

. Цри темлературе, отличной от абсолютного нуля, атомы решетки колеблются и некоторые электроны получают энергию, достаточную для того, чтобы оторваться от своего атома. При этом в результате нарушения ковалентной связи образуются электрон проводимости и дырка, являющаяся разорванной связью. Таким образом, за счет тепловых колебаний решетки генерируется электронно-дырочная пара. На рис. 5.2 условно показана траектория свободного электрона до его рекомбинации. Из рисунка видно, что электрон может занимать любое положение внутри решетки, а блуждающая по кристаллу разорванная связь -дырка не может. Она перемещается от одного атома к другому за счет того, что разорванная ковалентная связь замещается электроном одного нз соседних атомов; при этом образуется новая разорванная связь и т. д. Таким образом, ясно, что свободный электрон и дырка существуют и движутся независимо.

Полупроводник, который не имеет посторонних примесей, называется собственным полупроводником. В собственном полупроводнике концентрация электронов щ и дырок рг одинакова. Она называется собственной концентрацией и равна щ, причем

[=nipi =/4Pexp;(-A£go/fer),

(5.1)

где VI - коэффициент пропорциональности; Т - абсолютная температура; AEgo - ширина запрещенной зоны при О К, равная минимальной энергии, которую нужно сообщить электрону, чтобы вывести его из валентной зоны в зону проводимости; k - постоянная Больцмана.



Для кремния A£go=l,21 эВ, а для германия - 0,78 эВ. При комнатной температуре (7=290 К) для кремния П{~10°, а для германия «1-2-Юз эл/см.

Способность электронов и дырок двигаться под действием электрического поля называют подвижностью. Подвижность равна скорости носителя электрического тока (электрона и дырки) ири напряженности поля, равной единице.

Удельная проводимость полупроводника

a-=nq]in+pqixp,

где [Хп и lip - подвижность электронов и дырок; q - заряд электрона; п и р - концентрация электронов и дырок.

Подвижность электронов в кремнии и германии в 2-2,5 раза выше, чем подвижность дырок, поэтому проводимость собственного полупроводника носит в основном электронный характер.

Удельное сопротивление кремния много выше, чем германия. При комнатной температуре (25 °С) кремний имеет удельное сопротивление 2,3 кОм-м, а германий - 0,60 Ом-м.

В отличие от металлов, удельное сопротивление собственных полупроводников при увеличении температуры не растет, а падает.

5.2. ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

В полупроводниковых приборах широко применяются полупроводники, проводимость которых определяется так называемыми донорными и акцепторными примесями. В качестве донорных примесей используются элементы V группы периодической системы, такие как фосфор, мышьяк и сурьма, в качестве акцепторных примесей применяются элементы П1 группы: бор, галлий и индий.

При внесении в полупроводник примеси некоторые атомы в его кристаллической решетке замещаются атомами примеси. Па рис. 5.3 показана кристаллическая решетка полупроводника, в которой некоторые атомы заменены атомами донорной примеси.

свободный электрон


ггуп

с вободный злеfтрон

Рис, 5.3. Кристаллическая решетка германия или кремния с донорной примесью


Дырка

Рис. 5.4. Кристаллическая решетка германия или кремния с акцепторной примесью



За "счет примеси концентрация электронов проводимости в кристалле возрастает, так как один из электронов примесного атома слабо связан с кристаллической решеткой и эта связь легко разрывается уже при достаточно низких температурах.

На рис. 5.4 показана кристаллическая решетка полупроводника с акцепторной примесью. При введении в полупроводник акцепторной примеси в кристалле полупроводника возрастает концентрация дырок.

Концентрация донорной или акцепторной примеси характеризуется числом атомов примеси в единице объема полупроводника. Концентрация донорной примеси обозначается A/d, а акцепторной - Na. Чтобы примесь сушественно повлияла на характер проводимости полупроводника, концентрация примеси Nd или Na должна быть на порядок или несколько порядков больше собственной концентрации свободных носителей щ.

В этом случае равновесная концентрация электронов Пп при донорной примеси практически равна концентрации донорной примеси:

tinNo, (5.2)

а равновесная концентрация дырок р„ определяется из равенства ПпРп = пЬ (5.3)

Pn = nVnn=nilND. .(5.4)

Следовательно, у полупроводника с донорной примесью с увеличением Пп концентрация дырок становится много меньше концентрации электронов, т. е.

Рп<г1п. (5.5)

На этом основании полупроводник с донорной примесью называется полупроводником й-типа. Электроны в полупроводнике с донорной примесью называются основными, а дырки - неосновными носителями.

Из формулы (5.2) следует, что концентрация основных носителей практически не зависит от температуры. Что касается концентрации неосновных носителей, то она в соответствии с формулами (5.4) и (5.1) сильно зависит от температуры.

То же справедливо и для полупроводников с акцепторной примесью. Концентрация дырок рр в полупроводнике р-тта

PpNa. (5.6)

Произведение концентрации дырок и электронов удовлетворяет равенству

Пррр = п]. (5.7)

Следовательно, концентрация неосновных носителей (электронов), равная

np=nilppnilNA.

(5.8)



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 [25] 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169



0.0045