Главная | Обратная связь

Напівпровідники. Загальні відомості

Перед тим, як приступити до розгляду теми, задамося питанням: чому мова далі піде саме про напівпровідники? А це тому, що, як видно з опису розвитку електроніки, в наш час найбільші успіхи в цій галузі пов'язані із застосуванням пристроїв, виконаних на напівпровідникових приладах.

Напівпровідники (НП) належать до класу речовин, що мають твер­ду кристалічну структуру і за провідністю (10⁴ - !О"¹⁰ Сим/см) займа­ють проміжне місце між провідниками (10⁴ - 10⁶ Сим/см) та діелект­риками (10'¹⁰ Сим/см та менше).

При виготовленні НП приладів частіше використовують кремній (Si - має робочу температуру до 140 °С), германій (Ge - найбільша робо­ча температура 75 °С), арсенід галію (GaAs - працює при температу­рах до 350-400 °С).

До НП також відносять селен, телур, деякі окисли, карбіди та сульфіди.

НП мають такі властивості:

1) негативний температурний коефіцієнт опору - із збільшенням тем­
ператури їх опір зменшується (у провідників - зростає);!

2) додання домішок призводить до зниження питомого опору (у про­
відників - до збільшення);

3) на електричну провідність впливають радіація, електромагнітне
випромінювання.

Процеси електропровідності НП і діелектриків подібні, але суттєво відрізняються від електропровідності провідників.

Зазначимо, що електрони, розташовані на зовнішній орбіті атома ре­човини, мають назву валентних. Вони найслабкіше зв'язані з ядром і визначають фізичні та хімічні властивості речовини.

У провідників електрони, розташовані на зовнішній орбіті атома, слаб­ко зв'язані з ядром і тому досить легко покидають свої атоми й хао­тично переміщуються - стають вільними. Якщо до провідника при­класти зовнішнє електричне поле, виникне впорядкований рух елект­ронів - електричний струм.

У НП усі валентні електрони міцно зчеплені з кристалічними ґратками зав­дяки так званому ковалентному зв'язку, про який Ви знаєте з хімії. Доки цей зв'я­зок існує, електрони не можуть перено­сити електричний заряд.

Рис. 1.1 - Кристалічні ґратки германію

Механізм електропровідності НП роз­глянемо на прикладі кристалічних ґраток германію, що є елементом IV групи пе­ріодичної системи Менделєєва. Ґратки у вигляді плоскісної структури зображено на рис. 1.1.

Атоми германію розміщені у вузлах кристалічних ґраток, їх зв'язок з іншими атомами здійснюється за допомогою чотирьох валентних електро­нів. Подвійні лінії між вузлами вказують на ковалентний характер зв'язку, тобто кожна пара валентних електронів належить водночас двом сусіднім атомам. При температурі абсолютного нуля і при відсутності опромінення у НП відсутні рухомі носії і його електричний опір великий (нескінченний).

За звичайних умов, внаслідок дії на речовину теплової енергії, деякі з валентних електронів розривають ковалентні зв'язки - відбувається процес генерації пар носіїв: електронів і дірок. При цьому дірка має позитивний заряд.

Якщо тепер помістити НП в електричне поле, виникне спрямований РУХ зарядів - електричний струм. На відміну від провідників струм в НП забезпечується носіями двох зарядів - позитивного © та нега­тивного ©.

Провідність чистого НП має назву власної, сам же НП відносять до /-типу. Власна провідність звичайно невелика. Значно більшу провідність мають НП з домішками, до того ж її характер залежить від виду домішок.

фІЗИЧНІОСНОВИРОБОТИНАПІВПРОВІДНИКОвИХПРИЛАДІВ 1.2. Фізичні основи роботи електронно-діркового переходу (p-n переходу)

Розглянемо приклад, коли у роз­плав чистого германію додається домішка п'ятивалентного елемен­та (V група таблиці Менделєєва), наприклад, арсену (As), як показа­но нарис. 1.2. При застиганні у деяких вузлах кристалічних граток германію його атоми заміщуються атомами до­мішки. При цьому чотири валент­них електрони домішки створюють систему ковалентних зв'язків з чо-

надлишковий електрон

позитивний Іон

носіїв зарядів. 3 іншого боку, воно виявляється прискорюючим для не­основних рухомих носіїв зарядів (теплових), внаслідок чого через межу між НП виникає дрейфова складова струму гдр, протилежна дифузійній складовій ідиф, зумовленій рухом основних носіїв зарядів (внаслідок про­тікання ідшф відбувається рекомбінація рухомих основних носіїв зарядів). У сталому становищі R . . U+'* = 0- (1-1) Ця ршновага настає за певної контактної різниці потенціалів, що визначаєть-Ся величиною об'ємного заряду і називається потенціальним бар'єром ф.

Рис. 1.2 - Кристалічні ґратки германію з донорною домішкою тирма валентними електронами германію, а п'ятий електрон домішки виявляється надлишковим.

Домішка, що віддає вільні електрони, називається донорною. НП з переважаючою кількістю вільних електронів має назву НП з електрон­ною провідністю, або НП и-типу. Вільні електрони залишають у вузлах кристалічних граток нерухомі позитивно заряджені іони, що створю­ють у кристалі позитивний об'ємний заряд.

Розглянемо введення у германій до­мішки з трьома валентними електронами (III групатаблиці Менделєєва), наприклад, індію (In), як це показано на рис. 1.3.

дірка

Для утворення ковалентного зв'язку між Ge та In одного електрона не вистачає. При дії теплоти навколишнього середовища електрони з верхнього рівня валентноїзони переміщуються на рівень домішки, ство-

Рис 1 3 - Кристалічні рюючи зв'язки, яких не вистачає, завдяки ґратки германію чому у валентній зоні утворюються рухомі закцепторноюдомішкою дірки, а атоми домішкиперетворюються у негативні іони. Така домішка називається акцепторною, а НП з пере­важною кількістю дірок - НП з дірковою провідністю, або^-типу. Пе­реважаючі у НП рухомі носії заряду мають назву основних, решта -неосновних.

p-n переходом називається вузька зона на межі між шарами НП p- \ n-типу, як зображено на рис. 1.4.

Фізичні процеси, що відбуваються у p-n переході, визначають параметри та характеристики більшості НП приладів.

Допустимо, що концентрація основ­них носіїв у обидвох шарах НП одна­кова. При об'єднанні двох НП виникає взаємна дифузія (яку можна вважати за дифузійний струм г) електронів із л-шару у р-шар (вони заповнюють вільні ковалентні зв'язки), а дірок у про­тилежному напрямку. Внаслідок цього у приконтактній зоні НП р-типу (зав­даси іонам акцепторної домішки fTj) з'являється негативний заряд, а у при­контактній зоні и-типу (завдяки іонам донорноїдомішки f+]) - позитивний за-ряд. Між цими зарядами виникає внутрішнє електричне поле з напруже­ністю Е_т, яке гальмує рух основних

основні носІІ

неосновні \
_____ _^ носії ч__д_____

Э09ОТ T0OQO

IOHU

Рис. 1.4 - Утворення на межі між шарами p- та л-типу

p-n переходуз потенціальним бар'єром p