Физические основы электропроводности полупроводников и её зависимость от различных факторов

Общие сведения и классификация полупроводников

РАЗДЕЛ 3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ (лекции 4-5) 4 часа

3.1.1 Зонная теория полупроводников

Большинство полупроводников являются твердыми телами с регулярной кристаллической структурой, т.е. монокристаллами. Их кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу ячеек, имеющих определенные форму и размеры. При взаимодействии большого числа атомов, образующих кристалл, энергетические уровни электронов расщепляются на близко расположенные уровни – «энергетические зоны» - зоны разрешенных значений энергии и зоны запрещенных значений энергии.

Разница между диэлектриками и полупроводниками, с точки зрения, зонной теории, заключается в ширине запрещенной зоны: если ширина запрещенной зоны ΔW₀=0,05-3 эВ – материал полупроводник, если значение больше 3 эВ – то материал диэлектрик.

3.1.2 Основные свойства и характеристики полупроводниковых материалов

По удельному сопротивлению полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Оно лежит у них в пределах 10^-6 – 10⁹ Ом*см.

Полупроводники обладают рядом характерных только для них свойств, резко отличающихся от проводников:

- в большом интервале температур их удельное сопротивление уменьшается, т.е. они имеют отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления;

- при введении в полупроводник ничтожного количества примесей их удельное сопротивление резко изменяется;

- характерной особенностью полупроводника является то, что его электропроводность является активированной, т.е. вызванной воздействием внешним факторов – света, ядерного излучения, электрического и магнитного полей, давления и т.д.

Полупроводниковыми свойствами обладает целый ряд материалов - природных и синтетических, органических и неорганических, простых и сложных по химическому составу.

3.1.3 Собственные и примесные полупроводники. Виды примесей

Как и в металлах, электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом носителей заряда. Появление носителей заряда в полупроводниках определяется рядом факторов, важнейшими из которых являются чистота материала и температура. Зависимости от степени чистоты полупроводники подразделяют на собственные и примесные.

Полупроводник, в котором в результате разрыва связей образуется равное количество свободных электронов и дырок, называется собственным. В кристалле собственного проводника каждому электрону в зоне проводимости соответствует дырка, оставленная им в валентной зоне. В этом случае свободный электрон обладает энергией, большей той, которую он имел в связанном состоянии, на величину не менее энергии ширины запрещенной зоны.

При приложении к кристаллу внешнего электрического поля свободные электроны будут перемещаться против поля (из-за отрицательного заряда), а дырки в направлении поля. Но электроны, хотя и движутся в противоположном направлении, создают обычный ток, совпадающий с внешним приложенным полем. Следовательно, электронный и дырочный токи текут в одном и том же направлении и поэтому складываются.

Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники.

Полупроводник, имеющий примеси, называется примесным, а проводимость, созданная введенной примесью, носит название примесной проводимости.

Если в полупроводник IV группы (кремний и германий) ввести элемент V группы таблицы Менделеева, например мышьяк, то атому примеси для завершения ковалентных связей с атомами основного вещества необходимо четыре валентных электрона. Пятый электрон атома примеси в ковалентной связи не участвует. Со своим атомом он связан силой кулоновского взаимодействия. Энергия этой связи невелика – порядка сотых долей электрон-вольт. Так, как при комнатной температуре тепловая энергия ≈0,03 эВ, то очевидно, что при этой температуре будет происходить ионизация примесных атомов мышьяка вследствие отрыва пятого валентного электрона, который становится свободным. Наряду с ионизацией примеси может происходить и ионизация атомов основного вещества. Но в области температур ниже той, при которой имеет место значительная собственная проводимость, число электронов оторванных от примеси будет значительно больше количества электронов и дырок, образовавшихся в результате разрыва ковалентных связей. В силу этого преобладающую роль в проводимости кристалла будут играть электроны, и поэтому они называются основными носителями заряда, а дырки – неосновными. Такой полупроводник называется э лектронным или n- типа, а примесь, отдающая электроны, носит название донорной.

Из энергетических диаграмм электронных и дырочных полупроводников видно, что уровни доноров Wд и акцепторов Wа расположены в запрещенной зоне: уровни Wд – вблизи дна зоны проводимости, а уровни Wа – вблизи потолка валентной зоны. Отрыв лишнего электрона от донора или добавление недостающего электрона к акцептору требует затраты энергии ионизации Wион.

3.1.4 Классификация полупроводников (простые, химические соединения, комплексы)

К простым полупроводникам относятся германий, кремний, селен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера, сурьма, мышьяк, серое олово, йод.

Также полупроводниками являются соединения:

Двойные: Cu₂O, CuS, ZnCl₂, CdCl₂, Fe₂O₃ и пр.

Тройные: CuFeS₂, CuAlS₂ и пр.

Твердые растворы: GeSi и пр.

К органическим полупроводникам относятся фталоцианин, нафталин и др.

3.2.1 Собственная и примесная проводимость полупроводников

В отсутствие внешнего поля свободные электроны и дырки находятся в равновесном состоянии и совершают (при температуре Т≠0 К) хаотическое движение в объеме полупроводника, средняя тепловая скорость носителей заряда v велика (например при Т=300 К скорость v=10⁵ м/с).

Электроны и дырки испытывают рассеяние, т.е. изменяют направление и скорость своего движения при столкновениях с узлами кристаллической решетки, дефектами решетки, атомами примесей. В результате рассеяния их устанавливается равновесное их распределение, при этом средняя скорость движения носителей заряда v=0 в любом направлении.

При воздействии электрического поля на полупроводник средняя скорость движения носителей заряда становится отличной от нуля в направлении определяемом направлением напряженности электрического поля Е; она называется дрейфовой скоростью. Движение носителей заряда под воздействием электрического поля называется дрейфом.