2020-10-10
187
Твердые материалы по их способности проводить электрический ток делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. В проводниках электронные оболочки атомов сильно перекрываются и валентные электроны, наиболее слабо связанные с ядрами, получают возможность свободно перемещаться в объеме вещества, причем число свободных электронов достаточно велико и практически не зависит от температуры. При наличии внешнего электрического поля они начинают двигаться в сторону более высокого потенциала, образуя электрический ток. В диэлектриках валентные электроны жестко связаны с ядрами атомов и не могут свободно перемещаться, поэтому при наличии внешнего электрического поля тока в них нет.
В химически чистых полупроводниках при Т =0 свободные электроны также отсутствуют и их электропроводность равна нулю. Однако с повышением температуры валентные электроны могут отрываться от атомов, т.е. электропроводность полупроводников растет, образуя собственную проводимость. Наличие примесей может значительно увеличивать электропроводность полупроводников, создавая примесную проводимость, которая может значительно (до 104 раз) превышать собственную.
В соответствии с зонной теорией твердого тела электроны могут иметь только определенные уровни разрешенных энергий, разделенные зонами запрещенных энергий. Энергетическая диаграмма (зонная), характеризующая распределение электронов веществ по уровням энергии (WF – уровень Ферми) приведена на рис. 2.1, основные свойства наиболее распространенных полупроводниковых материалов – германия, кремния и арсенида галлия – в табл. 2.1. Для проводников ширина запрещенной зоны D W = 0, для полупроводников D W £ 3 эВ, для диэлектриков D W > 3 эВ.
| Материал полупроводника | Ge | Si | GaAs |
| Ширина запрещенной зоны, эВ | 0,66 | 1,11 | 1,42 |
| Концентрация собственных носителей, см-3 | 2,4·1013 | 1,4·1010 | 1,8·106 |
| Подвижность электронов, см2/(В·с) | 3900 | 1400 | 1500 |
| Подвижность дырок, см2/(В·с) | 1900 | 450 | 400 |
| Время жизни неосновных носителей, с | 10-3 | 2,5·10-3 | 10-8 |
| Теплопроводность, Вт/(К·см) | 0,6 | 1,45 | 0,46 |
| Температура плавления, ˚С | 937 | 1415 | 1238 |
Таблица 2.1
Для химически чистых полупроводников уровень Ферми WF расположен посередине запрещенной зоны, поэтому концентрации электронов и дырок равны (собственный полупроводник) и определяются формулой:
, (2.1)
где N – эффективная концентрация электронов (дырок) у дна зоны проводимости (потолка валентной зоны). При введении в собственный полупроводник (Ge или Si) примесей (доноров – фосфора P, сурьмы Sb – или акцепторов – галлия Ga, индия In) положение кардинально меняется. Уровень Ферми WFn смещается ко дну зоны проводимости, что обуславливает электронную (донорную) проводимость, а WFp смещается к потолку валентной зоны, вызывая дырочную (акцепторную) проводимость полупроводника. В этом случае концентрации электронов n и дырок p можно выразить как
, (2.2)
т.е. в любом электрически нейтральном полупроводнике произведение концентраций электронов и дырок есть величина постоянная.
При соединении двух полупроводников с разными типами проводимости на границе возникает электронно–дырочный (p–n) переход с внутренним электрическим полем Е, обусловленным встречной диффузией электронов и дырок (рис. 2.2 а). При этом высота потенциального барьера на границе раздела полупроводников определяется формулой
, (2.3)
где 
– тепловой (температурный) потенциал; nn - концентрация электронов в n –полупроводнике; pp – концентрация дырок в p -полупроводнике. Типовые значения контактной разности потенциалов jk имеют величину 0,5…0,7 В для германия и 0,7…0,9 В – для кремния.
Приложение внешнего напряжения U либо уменьшает (прямое), либо увеличивает (обратное) высоту потенциальное барьера. Возникающий при этом ток складывается из разности диффузионного Iдиф и теплового I 0 (собственного) токов и описывается уравнением Эберса-Молла
(2.4)
(заметим, что при T = 300 K jТ = 25 мВ). Предельное напряжение на p–n -переходе при прямом смещении не превышает jk, при обратном – ограничивается напряжением лавинного пробоя Uпр (рис. 2.2 б).
К характеристикам p–n -перехода относятся также его диффузионное сопротивление 
(~25 мОм при I = 1 А, jТ = 25 мВ) и емкость 
, где 
– диффузионная емкость (при прямом смещении), tp – время жизни неосновных носителей; 
– барьерная емкость (при обратном смещении).
