Виды и структура полупроводников

Все вещества по их способности проводить электрический ток можно разделить на проводники, полупроводники и изоляторы.

К полупроводникам принято относить вещества, занимающие по величине удельной электрической проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Большинство веществ относится именно к полупроводникам, для которых характерен очень широкий диапазон удельной электрической проводимости, значение которой в сильной степени зависит от температуры и концентрации примесей.

В соответствии с так называемой зонной теорией твердого тела энергетические уровни объединяются в зоны. Распределение электронов по уровням изображают схематически, так как это показано на рис. 4.1.

У металлов зона проводимости (ЗП) непосредственно примыкает к валентной зоне (ВЗ), которая заполняется электронами внешней оболочки атома. Валентные электроны участвуют в электрических и химических процессах. Зону проводимости заполняют электроны, обладающие высокой энергией, называемые электронами проводимости.

Для диэлектриков (рис. 4.1, б) характерна иная энергетическая структура. В них между валентной зоной и зоной проводимости существует запрещенная зона (ЗЗ), соответствующая уровням энергии, на которых электроны находиться не могут. Ширина запрещенной зоны составляет несколько электрон-вольт (эВ). При Т=300°К у диэлектриков в зоне проводимости имеется небольшое число электронов, поэтому диэлектрик обладает ничтожно малой проводимостью. При нагревании (­Т°) электроны валентной зоны, получая добавочную энергию, переходят в зону проводимости, и тогда диэлектрик приобретает заметную проводимость.

Рис. 4.1. Распределение электронов по энергетическим уровням

У полупроводников (рис. 4.1, в) зонная диаграмма подобна диэлектрикам, но ширина запрещенной зоны меньше, чем у диэлектриков, и в большинстве случаев составляет около электрон-вольта. Поэтому при низких температурах полупроводники являются диэлектриками, а при нормальной температуре (Т=300° К) значительное число электронов может переходить из валентной зоны в зону проводимости, преодолевая при этом энергетический барьер.

В природе существует много веществ, относящихся к полупроводникам, но в электронике находят применение лишь ограниченное число их. В настоящее время основу для изготовления полупроводниковых приборов составляют германий (Ge), кремний (Si), арсенид галия (GaAs), а Бор (В), фосфор (Р), мышьяк (As), индий (In), галий (Ga) используются в качестве примесей.

Полупроводник, имеющий в узлах кристаллической решетки только свой атом, называют собственным полупроводником. В кристаллической решетке четырехвалентного полупроводника, каковыми являются германий (Ge) и кремний (Si), каждый атом связан с четырьмя соседними атомами с помощью двух валентных, по одному от каждого атома. Условно, такой вид связи, показан на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Ковалентные связи в атоме полупроводника

Таким образом, полупроводники, так же как и металлы обладают электронной проводимостью.

При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает свободное место (не занятый электроном энергетический уровень), обладающее положительным зарядом, равным по абсолютному значению заряду электрона. Графическая интерпретация этого свойства условно показана на рис. 4.3.

Такое освободившееся в ковалентной связи место называется дыркой, а процесс образования пары электрон-дырка – генерацией. В дырку может «перескочить» валентный электрон из заполненной ковалентной связи соседнего атома. В результате ковалентная связь в одном атоме восстановится, (этот процесс называется рекомбинацией), а в соседнем разрушится, образуя в нем дырку. Такое перемещение дырки по кристаллу равносильно перемещению положительного заряда.

Таким образом, полупроводники обладают также дырочной проводимостью, которая не наблюдается в металлах.

Электропроводность полупроводников наиболее правильно может быть объяснена их энергетической структурой, которая условно показана на рис. 4.4. При температуре абсолютный нуль полупроводник, не содержащий примеси, является диэлектриком, т.е. в нем нет электронов и дырок проводимости. Однако при повышении температуры электропроводность полупроводников возрастает, т.к. электроны валентной зоны получают при нагреве дополнительную энергию и за счет этого все большее число электронов преодолевает запрещенную зону и переходит из валентной зоны в зону проводимости.

Рис. 4.4. Процесс генерации и рекомбинации

Электроны и дырки, которые могут перемещаться, называют подвижными носителями заряда. Вследствие того, что электроны и дырки проводимости совершают хаотическое тепловое движение, обязательно происходит процесс, обратный генерации пар носителей. Электроны проводимости снова занимают свободные места в валентной зоне, т.е. объединяются с дырками. Это процесс –рекомбинация носителей заряда.

Процессы генерации и рекомбинации происходят одновременно. Рекомбинация ограничивает возрастание числа пар носителей зарядов и при каждой данной температуре устанавливается определенное число электронов и дырок проводимости, т.е. они находятся в состоянии динамического равновесия.

Процесс генерации – рекомбинации носителей зарядов в полупроводнике имеет вероятностный характер и описывается статистикой Ферми-Дирака.

Таким образом, полупроводники без примесей называются собственными полупроводниками. Они обладают собственной электропроводностью, которая складывается из электронной и дырочной проводимости.

Примесные полупроводники

Полупроводники, у которых часть атомов основного вещества в узлах кристаллической решетки замещены атомами другого вещества, называются примесными. При этом к собственной электропроводности добавляется примесная электропроводность, которая в зависимости от вида примеси может быть электронной и дырочной.

Для германия и кремния чаще всего используют пятивалентные (фосфор – Р, сурьма - Sb, мышьяк - As) и трехвалентные (бор – В, индий – In) примеси.

Для того, чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов примесей должна превышать концентрацию собственных носителей заряда.

Рассмотрим физическую сущность таких полупроводников.

а) Электронные полупроводники (полупроводники – n типа)

Если к чистому полупроводнику (например германия) добавить пятивалентные примеси (Sb, As, P), то их атомы будут взаимодействовать с атомами германия только четырьмя своими электронами, а пятый электрон попадет в зону проводимости.

Примеси, отдающие электроны, называют донорными, а сам полупроводник – полупроводником n – типа. Возникновение примесной электронной проводимости условно показано на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Полупроводник n-типа

б) Дырочные полупроводники (полупроводники – р типа)

При введении трехвалентной примеси, примесный атом отдает три валентных электрона для образования ковалентных связей с тремя ближайшими атомами. Связь же с четвертым атомом оказывается незаполненной, однако на нее сравнительно легко могут переходить валентные электроны с соседних связей. Это приводит к тому, что в одной из ковалентных связей каждого примесного атома отсутствует электрон, т.е. образуется дырка. При переброске валентного электрона на незаполненную связь, примесный атом с присоединенным лишним электроном образует в кристаллической решетке неподвижный отрицательный заряд. При этом дырка способна перемещаться по решетке.

Примеси, захватывающие электроны называют акцепторными, а полупроводник – полупроводником р – типа или дырочным полупроводником.

Возникновение примесной дырочной проводимости условно показано на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Полупроводник р-типа

Основными носителями зарядов в этом полупроводнике являются дырки - , неосновными – электроны (индекс p обозначает полупроводник p – типа). Причем .

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: