Главная | Обратная связь

Основные электрофизические явления в полупроводниковых материалах. Общая характеристика и классификация полупроводниковых приборов (ППП) и устройств (ППУ) на их базе.

Все твердые вещества по своим электрическим свойствам разделяют на проводники, полупроводники и диэлектрики. Полупроводники занимают по электропроводности промежуточное положение между металлами (проводниками электрического тока) и диэлектриками. Удельное электрическое сопротивление проводников составляет ρ=10^-4 Ом∙см, полупроводников – ρ=10^-4 –10¹⁰ Ом∙см, диэлектриков – ρ = 10¹⁰ Ом∙см и выше.

К полупроводникам относятся элементы четвертой группы периодической таблицы Менделеева, а также химические соединения элементов третьей и пятой групп типа A^III B^V (GaAs, InSb) и второй и шестой групп типа A^II B ^VI (CdS, BbS, CdFe). Ведущее место среди полупроводниковых материалов, используемых в полупроводниковой электронике, занимают кремний, германий и арсенид галлия GaAs.

Распространенность германия в земной коре 0,0007 %, кремния – 25 – 29 %, Галлия - 0,0015% по массе.

Германий и кремний – элементы четвертой группы периодической системы Д.И. Менделеева, т.е. являются четырехвалентными элементами. В валентной зоне каждого атома германия и кремния имеется по четыре валентных электрона. Германий и кремний имеют атомные кристаллические решетки. Связь между атомами в таких решетках парноэлектронная или ковалентная. Каждый атом в них связан с соседними двумя электронами – по одному от каждого атома. Атом германия изображен на рисунке 1.

 

 

Рис. 1.

 

Схематическое изображение кристалла германия на плоскости показано на рисунке 2. Каждый атом в монокристалле германия окружен четырьмя соседними атомами, с которыми он связан парноэлектронными связями. В результате валентная оболочка каждого атома имеет восемь электронов, т. е. оказывается полностью заполненной. В таком кристалле все валентные электроны связаны между собой прочными парноэлектронными связями. Свободных электронов, которые могли бы участвовать в переносе зарядов, нет.

 

 

Рис. 2.

 

Чистые полупроводники при нуле абсолютной температуры (Т=0ºК) являются идеальными диэлектриками.

Однако в нормальных условиях, при комнатной температуре, некоторые валентные электроны кристаллической решетки получают энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи, т. е. для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Вследствие разрыва одной парноэлектронной связи образуются два носителя заряда: электрон и дырка.

Электрон, как известно, является носителем элементарного отрицательного заряда. При разрыве парноэлектронной связи электрон отрывается от атома, после чего одна связь в атоме оказывается незаполненной – свободной. Незаполненная электронная связь в кристаллической решетке полупроводника называется дыркой. Дырка обладает положительным зарядом, по абсолютной величине равным заряду электрона, и, следовательно, является носителем положительного заряда. Дырка может быть заполнена электроном, оторвавшимся от соседнего атома. Процесс заполнения электроном дырки называется рекомбинацией. При этом в соседнем атоме на месте ушедшего электрона образуется новая дырка. В обычных условиях, т. е. при комнатной температуре, процесс возникновения пары электрон – дырка и рекомбинация происходят непрерывно. В результате устанавливается динамическое равновесие, при котором в чистом полупроводнике концентрация электронов равна концентрации дырок (рис.3).

 

 

Рис. 3.

 

Наличие носителей зарядов в полупроводнике объясняет его проводимость. Проводимость чистого полупроводника, обусловленная электронами и дырками, возникающими только в результате разрыва парноэлектронных связей, называется собственной проводимостью.

При отсутствии внешнего электрического поля электроны и дырки перемещаются в объеме полупроводника беспорядочно. Если же к полупроводнику приложить напряжение (рис.4), то в нем возникает упорядоченное движение электронов в одном направлении и дырок в другом – противоположном направлении. Через полупроводник протекает ток, который равен сумме токов электронного I_n и дырочного I_p, т. е.

 

I = I_n + I_p.

Рис. 4.

 

Ток, протекающий в полупроводнике при равновесной концентрации носителей зарядов (электронов и дырок), называется дрейфовым током или током проводимости.

Плотность дрейфового тока определяет удельную электропроводность полупроводников σ. Так, для германия удельная электропроводность

 

σ_Ge = 2 ∙ 10^-2 Ом^-1 ∙ см^-1, мала.

 

а для кремния

 

σ_Si = 4 ∙ 10^-6 Ом^-1 ∙ см^-1,

 

Собственная проводимость полупроводника очень мала, для увеличения проводимости полупроводника в него добавляют примеси.