И. З. Шарипов материаловедение рекомендовано редакционно-издательским советом угату в качестве учебного пособия для студентов вечерней и заочной формы обучения Уфа 2008

Вид материала

Документы

Содержание 1.2.1. Собственные полупроводники Табл.1. Характеристики полупроводников Ge и Si 1.2.2. Примесные полупроводники Донорные примеси. Акцепторные примеси. 1.2.3. Применение полупроводников U – приложенное напряжение, q Контрольные вопросы

Подобный материал:

• А. С. Калмыкова Главный внештатный детский инфекционист, 1294.52kb.
• Пособие подготовлено на кафедре экономической теории © Новосибирский государственный, 754.49kb.
• Конспект лекций Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским, 1023.31kb.
• Методические указания к занятиям по педиатрии для студентов по специальности «стоматология», 313.58kb.
• Прокурор в уголовном процессе, 2839.04kb.
• Методические указания к занятиям по акушерству для студентов по специальности «лечебное, 889.94kb.
• Нефтяное товароведение, 1449.59kb.
• Учебное пособие Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским, 2331.42kb.
• А. В. Терентьев менеджмент организации курсовое и диплом, 2230.76kb.
• Методические рекомендации и контрольные задания для студентов заочной формы обучения, 282.1kb.

1.2. ПОЛУПРОВОДНИКИ

У полупроводников энергетическая щель Е_g между зонами валентности и проводимости составляет около 1 эВ. При поглощении валентным электроном кванта энергии большего ширины запрещенной зоны, электрон переходит на свободные уровни зоны проводимости и получает возможность перемещаться (рис.24.).

Д


Рис.24. Энергетические зоны полупроводника.
ля возбуждения электрона ему нужно сообщить значительную энергию, например с помощью нагрева. Чем выше температура нагрева полупроводника, тем более вероятен перескок электрона из валентной зоны в зону проводимости. Другими способами возбуждения электронов могут быть световое облучение, проникающая радиация, наложение сильного электрического поля и т.д.

Ширина запрещенной зоны у типичных полупроводников германия E_g = 0,66 эВ; кремния E_g = 1,12 эВ; арсенида галлия E_g = 1,43 эВ.

У полупроводника количество свободных носителей заряда больше чем у диэлектриков, но меньше чем у проводников.

Проводимость_e, обусловленная подвижными электронами, равна

_σe=neqμe, (2.1)

где n_e – концентрация свободных электронов, – подвижность электронов.

Когда электрон выскакивает из ковалентной связи, он становится электроном проводимости. На его месте появляется незанятое место или дырка. На это незанятое место может перескочить электрон из соседней связи, т.е. дырка заполнится в одном месте, но появится в соседнем. Таким образом дырка может перемещаться по кристаллу, и это перемещение дырки эквивалентно движению положительно заряженной частицы. Значит при возбуждении электрона, в кристалле появляются два подвижных носителя заряда противоположных знаков: отрицательный электрон и положительная дырка.

Дырочную проводимость _p можно вычислить по формуле:

_σp=npqμp, (2.2)

где n_p – концентрация дырок, – подвижность дырок.

В свою очередь, концентрации электронов и дырок определяются соотношением:


<sub>, (2.3)

, (2.4)</sub>

где N_e0 и N_p0 – константы, k –постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

Общая проводимость равна сумме электронной и дырочной проводимостей

_{σ = σe + σp , (2.5)}

1.2.1. Собственные полупроводники

Химически чистые полупроводни­ки называются собственными полупроводниками. К ним относится ряд чистых химических элементов: германий, кремний, селен, теллур и др., и многие химические соединения: арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb), карбид кремния (SiC) и др.

При абсолютном нуле температуры валентная зона полупроводника укомплектована полностью, а зона проводимости – незаполнена, пустая. Поэтому при абсолютном нуле собственный полупроводник, как и диэлектрик, об­ладает нулевой проводимостью.

Однако с повышением температуры, вследствие термического воз­буждения электронов валентной зоны, часть из них приобретает энер­гию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода в зону проводимости. Это приводит к появлению электронов проводимости, а в валентной зоне – такого же количества дырок.

Таким образом, в собственных полупроводниках концентрация электронов равна концентрации дырок:

n_e = n_p, (2.6)

Следовательно, дырочная и электронная проводимости определяемые формулами (2.1) и (2.2) будут примерно одинаковы.

n_eqμ_e  n_pqμ_p , (2.7)

или

σ_e  σ_p , (2.8)

Т.е. электронная и дырочная проводимости собственного полупроводника величины одного порядка.

При комнатной температуре 300 К (20 ^◦С) тепловая энергия равна kТ = 0,025 эВ, что намного меньше ширины запрещенной зоны полупроводника E_g  1 эВ. Поэтому в соответствии с (*) концентрация свободных электронов, а значит и проводимость полупроводника, оказывается небольшой по сравнению с металлами. Свойства типичных полупроводников приведены в табл.1.


Табл.1. Характеристики полупроводников Ge и Si

элемент	Еg	, Омм	, см2/Вс	, см2/Вс	γ, г/см3	М, г/моль	tраб.мах., ◦С
Ge	0,66	0,8	4000	3000	5,3	73	70-80
Si	1,12	2000	1900	400	2,3	28	120-140

Разделение тел на полупроводники и диэлектрики носит в значительной мере условный характер, поскольку четкой границы между диэлектриками и полупроводниками не существует. Так алмаз, являющийся диэлектриком при комнатной температуре Е_g = 5,2 эВ, приобретает заметную проводимость при более высоких температурах 500 ^оС и может уже считаться полупроводни­ком.

1.2.2. Примесные полупроводники

Полупроводники любой степени чистоты всегда содержат примеси. Примеснные атомы имеют свои собственные энергетические уровни, которые могут располагаться как в разрешенной, так и в запрещенной зонах полупроводника. Для применения полупроводника в электронных устройствах примеси вводят специально для придания ему необходимых свойств. Такая технологическая операция называется легированием.

Роль примесей могут играть дефекты кристаллической решетки – вакансии, дислокации, границы зерен, поры, трещины.

В зависимости от рода примесных атомов различают донорные и акцепторные примеси. Разберем их подробнее.


Донорные примеси.

Рассмотрим кристалл германия, в котором часть атомов замещена атомами пятивалентного элемента, например, мышьяка (As) (рис.25.). Герма­ний имеет решетку типа алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями, связанными с ним валентными связями. Для установления связи с этими соседями атом мышьяка расходует четыре валентных электрона; пятый электрон оказывается лишним. и может легко отсоединится от атома мышьяка. При сообщении небольшой энергии он отрывает­ся от атома и приобретает способность свободно перемещаться в решет­ке германия, превращаясь, таким образом, в электрон проводимости.

С


Рис.25. Донорная примесь в полупроводнике.
точки зрения зонной теории этот процесс можно представить следую­щим образом. Энергетические уровни пятого элек­трона атомов мышьяка располагаются в запрещенной зоне полупроводника. Эти уровни размещаются непо­средственно у дна зоны проводимости на расстоянии E_d ≈ 0,01 эВ. При сообщении электронам таких примесных уровней небольшой энергии ≈0,01 эВ они переходят в зону проводимости. Обра­зующиеся при этом положительные заряды на атомах мышьяка неподвижны и в электропроводности не участвуют.

Чем больше примесных атомов мышьяка, тем больше будет свободных электронов. Таким образом, концентрация свободных электронов в таком кристалле больше концентрации дырок.

n_e > n_p , (2.9)

_{Соответственно, электронная проводимость будет больше дырочной.}

σ_e > σ_p , (2.10)

Примеси, являющиеся источником электронов проводимости, на­зывают донорными примесями. А полупроводники, их содержащие, называются донорными или электронными полупровод­никами, или полупроводниками n-типа (от английского слова «negative» – «отрицательный»).


Акцепторные примеси.

Предположим теперь, что в решетке герма­ния часть атомов германия замещена атомами трехвалентного элемента, например, индия (In) (рис.26.).

У индия всего 3 валентных электрона и для образования связей с четырьмя ближайшими со­седями у атома индия не хватает одного электрона. Его можно «заим­ствовать» у соседнего атома германия. Разорванная связь представляет собой дырку, которая заполняется при присоединении электрона со стороны. В этом случае дырка перемещается к соседнему атому германия, и далее движется по всей кристаллической решетке. Таким образом, введение трехвалентных атомов примеси приведет к увеличению концентрации дырок:

n
Рис.26. Акцепторная примесь в полупроводнике.
_p > n_e , (2.11)

_{Соответственно, дырочная проводимость будет больше электронной.}

σ_p > σ_e, (2.12)

Энергетические уровни примесных атомов индия располагаются в запрещенной зоне полупроводника вблизи валентной зоны проводимости на расстоянии E_d ≈ 0,01 эВ. При небольшом возбуждении электроны валентной зоны легко переходят на уровни примеси, порождая дырки.

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупро­водника, называют акцепторными. Полупроводники, содержащие также примеси, называют акцепторными полупроводниками, или дырочными полупроводниками, или полупроводниками p-типа (от английского слова «positive» – «положительный»).

_{Оба вида примесных полупроводников p-типа n-типа находят применение в технике.}

1.2.3. Применение полупроводников

<sub>Полупроводники обладают разнообраз­ными и необычными свойствами, которые определяют их широкое применение. При контакте полупроводников p-типа и n-типа образуются p-n переходы – основа почти всех полупроводниковых приборов.

В полупроводнике p-типа проводимость в основном определяется движением дырок, т.е. дырки являются основными носителями тока. Соответственно в полупроводнике n-типа основными носителями будут электроны. Если взять два полупроводника n-типа и p-типа и соединить их, то на границе будут встречатся носители разных типов – элекроны и дырки. При этом они взаимно уничтожаются, или говорят происходит процесс рекомбинации. В результате в пограничном слое свободных носителей заряда практически не остается, значит получается изолирующий материал или диэлектрик, называемый запирающим слоем. Образовавшаяся структура называется p-n переходом.

Этот p-n переход обладает интересным свойством, односторонней проводимостью.

П


Рис.27. Обратное (a) и прямое (б) включение p-n перехода.
ри подключении внешнего источника напряжения положительным полюсом к n-области, отрицательным — к p-области (см. рис.27а.) , дырки под действием внешнего электрического поля смещаются влево, а электроны – вправо. В результате изолирующий слой расширяется, препятствуя протеканию тока. Тока в цепи нет. Такое подключение называют обратным включением p-n перехода.

Если же положительный полюс источника напряжения подключен к p-области, а отрицательный – с n-областью (см. рис.27б.), то дырки под действием внешнего электрического поля смещаются влево, а электроны – вправо. Ширина изолирующего слоя уменьшается, тем самым способствуя резкому возрастанию электрического тока через p-n переход. Такое подключение называют прямым включением p-n перехода.</sub>

Прибор, обладающий односторонней проводимостью, называется диодом, он широко применяется в различных электрических схемах.

• П
  
  
  Рис.28. Вольт-амперная характеристика полупро-водникового диода.
  олупроводниковый диод

Рассмотрим полупроводникового диод на основе p-n перехода. Если к диоду приложить напряжение, то в нем будет течь ток, который зависит от величины и полярности напряжения. Эта зависимость тока от напряжения называется вольт–амперной характери­стикой (ВАХ) (рис.28).

Ток I, протекающий в цепи диода, определятся формулой

, (2.13)

где U – приложенное напряжение, q – заряд носителей, Т – абсолютная температура.

При положительном напряжении ток резко экспоненциально возрастает. При отрицательном – слагаемое будет стремиться к нулю, поэтому график будет стремиться к значению тока, равному – I_o. Это так называемый обратный ток p-n-перехода.

• Стабилитрон

С


Рис.29. Включение и вольт-амперная характе-ристика стабилитрона.
табилитрон устроен практически так же, как и диод. То есть имеется p-n-переход, но напряжение в нем включается в обратной полярности. В этом случае переход запирается, то есть образуется изолирующий слой, вследствие чего обратный ток будет малым. Как и для любого другого изолятора, величина приложенного к изолирующему слою напряжения будет иметь некий предел, при превышении которого начнется электрический пробой. При этом обратный ток резко возрастает, что соответствует почти вертикальному участку обратной ветви ВАХ стабилитрона (рис.29.). Если протекающий ток не очень большой и не приводит к значительному нагреву, то этот процесс пробоя оказывается обратимым и разрушения кристаллической решетки не происходит. Такой режим работы оказывается вполне устойчивым. На этом участке ВАХ, при изменении тока в больших пределах, напряжение практически постоянно. Поэтому такие приборы используются для стабилизации напряжения и называют стабилитронами.

• Варикап

Приложим к p-n переходу обратное напряжение. В результате образуется изолирующий слой. некоторой толщины этого слоя будет равна d. Причем толщина его зависит от приложенного напряжения: чем больше величина напряжения, тем больше толщина изолирующего слоя в соответствии с соотношением

~. (2.14)

Рассмотрим схему такой структуры (рис.30а.). Здесь между двумя проводящими ток материалами находится изолятор. Данная система представляет собой конденсатор, емкость которого определяется по формуле




Рис.30. Схема варикапа и его емкостная характеристика.
(2.15)

где S – площадь обкладок конденсатора, d- расстояние между обкладками,  –диэлектрическая проницаемость среды.

Поскольку d является функцией от напряжения (*), следовательно, и емкость С будет зависеть от приложенного напряжения:

~, (2.16)

Такой прибор, величиной емкости которого можно управлять с помощью напряжения, называется варикап (от английского «vary capacity» – «переменная ёмкость»). На рис.30б. приведен график зависимости емкости от напряжения на варикапе. Его используют в системах автоматической подстройки частоты радиоприемников, телевизоров, регулируемых фильтров и др.

• Светодиод

С


Рис.31. Схема работы светодиода.
ветодиод - устройство, основанное на p-n переходе, включенном в прямом направлении (рис.31.). В этом случае под действием электрического поля внешнего источника потоки электронов и дырок движутся навстречу друг другу. В зоне p-n перехода они встречаются и происходит рекомбинация электронов и дырок, т.е. взаимное уничтожение. Но исчезают они не бесследно, а выплескивая свою энергию виде квантов света – фотонов. Таким образом светодиод излучает свет. У светодиодов КПД преобразования электрической энергии в световую очень высок, и составляет 20-70%. Если сравнивать с лампой накаливания, то у нее лишь 4% энергии переходит в световую. Остальная часть энергии идет на нагревание нити лампы до 2500 ˚С.

Светодиоды используют в качестве экономичных источников света, индикаторов, цветных сигнализаторов. Современные информационные табло, мониторы, экраны состоят из большого количества светодиодов формирующих изображение. Для изготовления светодиодов используются специальные полупроводники GaAs, InAs, GaP, SiC.

• Фотодиод

Фотодиод представляет собой p-n-переход включенный в обратном направлении (рис.34.). В этом случае при отсутствии светового потока фотодиод ток не пропускает.

Е


Рис.32. Схема работы фотодиода.
сли на изолирующий слой направить свет, то в этом p-n переходе при поглощении фотонов будут рождаться пары электрон-дырка. Этот процесс обратный тому, что происходит в светодиодах. Образовавшиеся электроны и дырки под действием электрического поля разбегаются в противоположные стороны из изолирующего слоя, образуется электрический ток.

Фотодиоды являются светочувствительными приборами, так же как и фоторезисторы. Однако они выгодно отличаются большей чувствительностью, очень малыми размерами и весом. Фотодиоды являются быстродействующими при­борами, что позволяет их использовать в качестве приемников и детекторов модулированного светового сигнала.

С помощью большого количества фотодиодов создаются фотодиодные матрицы, которые могут считывать изображения, преобразуя его в электрический сигнал. На такой технологии основана работа видеокамер.

• Терморезистор

Терморезистор - это полупроводниковый материал, к которому присоединено два контакта (рис.32.). В полупроводниках концентрация свободных электронов определяется экспоненциальной формулой (2.3):

n


Рис.33. Схема терморезистора.
= n₀exp(–E_g/kT)

Чем выше температура, тем больше концентрация свободных носителей , а значит тем выше проводимость материала (2.1):

σ= nqμ

Поэтому эти приборы очень чувствительны к изменению температуры. Терморезисторы используют как высокочувствительные датчики для измерителей температуры и систем терморегулирования.

• Фоторезистор

Кроме температуры изменять концентрацию носителей заряда может так же свет (рис.33.).

П


Рис.34. Схема фоторезистора.
ри облучении светом энергия фотонов передается электронам и они могут переходить в зону проводимости. Чем больше световой поток, тем больше образуется свободных электронов, тем выше проводимость полупроводника. Т.е. фоторезистор является светочувствительным прибором.

Эти приборы применяются в устройствах автоматического включения фонарей, которые работают в зависимости от освещенности улицы, в турникетах метро, системах охраны, слежения за перемещением и т.д.

• Контрольные вопросы

  1. Какие материалы называют полупроводниками?
     
  2. Каково строение энергетических зон полупроводников?
     
  3. Для чего легируют полупроводники?
     
  4. Где их применяют?
     
  5. Приведите примеры электронных устройств на основе полупроводников.