Электрические свойства полупроводников

ЛЕКЦИЯ

ТЕМА №12 «ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ»

ВОПРОСЫ

1. Электрические свойства полупроводников

2. Электронно-дырочный переход и полупроводниковые диоды

3. Биполярные транзисторы

4. Полевые транзисторы

5. Тиристоры

 

Литература

1. Щука А.А. Электроника. Учебное пособие / Под ред. проф. А.С. Сигова. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 800 с.: ил.

2. Электроника: учебное пособие/ Смирнов Ю.А., Соколов С.В., Титов Е.В./ В 2-х т. Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, Т1 – 2008, Т2 – 2009.

 

 

Электрические свойства полупроводников

 

К полупроводниковым относят вещества, которые по своему удель­ному сопротивлению занимают промежуточное положение между про­водниками и диэлектриками. Характерной чертой полупроводников, от­личающей их от других веществ, является сильная зависимость их со­противления от температуры и концентрации примесей.

В производстве полупроводниковых приборов наибольшее распро­странение получили такие материалы, как германий и кремний. Они имеют кристаллическую структуру и расположены в IV группе таблицы Менделеева.

Все вещества состоят из атомов. Атом включает положительно заряженное ядро и электроны, вращающиеся вокруг него по орбитам с определенным радиусом.

Энергию электронов атома можно представить в виде диаграммы (рис. 7.2.1, а). Как видно из рисунка, электроны в атоме могут обла­дать лишь значениями энергий, равными №1, №2, №З, №4 и не могут иметь промежуточных уровней.

           (см. стр. с рис.7.1.30, 7.1.31,7.2.1,7.2.2.)

Электроны, вращающиеся на внешних оболочках, называются ва­лентными. Установлено, что в атоме любого вещества одинаковая энергия может быть не более чем у двух электронов. Иными словами, на одном энергетическом уровне может находиться не более двух электронов. Поскольку в веществе содержится большое количество атомов, вслед­ствие их взаимодействия энергетические уровни электронов, вращающих­ся по одинаковым орбитам, смещаются относительно энергетических уровней этих же электронов в отдельном «изолированном» атоме. В ре­зультате образуются целые энергетические зоны, состоящие из близко расположенных энергетических уровней. Энергетические уровни, образо­ванные валентными электронами, называют валентной зоной (рис. 7.2.1, б).

 

 

 

 

Рис. 7.2.1. Энергетические диаграммы чистого полупроводника:

ВЗ - валентная зона; ЗЗ - запрещенная зона; ЗП - зона проводимости.

 

При абсолютном нуле (абсолютный нуль — наиболее низкая возмож­ная температура —273.16°С в настоящее время достигнуты температу­ры, отличающиеся от абсолютного нуля на ничтожные доли градуса) все валентные электроны находятся на орбитах и прочно связаны с ато­мами. Поэтому в таком полупроводнике нет свободных электронов, и он представляет собой идеальный изолятор (диэлектрик). С ростом темпе­ратуры валентные электроны получают дополнительную энергию и мо­гут оторваться от атома. Оторвавшийся электрон становится «свобод­ным». Энергетические уровни свободных электронов образуют зону проводимости, расположенную над валентной зоной и отделенную от нее запрещенной зоной шириной DW (рис. 7.2.1, в).

Свободные электроны могут перемещаться по полупроводнику и участвовать, таким образом, в образовании электрического тока. Чем больше свободных электронов в единице объема вещества, тем меньше его сопротивление.

Между атомами в кристалле полупроводника существуют ковалентные связи. Ковалентная связь образуется за счет вращения двух электро­нов, принадлежащих двум рядом расположенным атомам, по одной общей орбите (рис. 7.2.2, а).

 Рис. 7.2.2.  Кристаллическая решетка чистого германия и кремния

 

Германий и кремний являются четырехвалент­ными элементами, и их атомы имеют по 4 валентных электрона. В ре­зультате образования парных ковалентных связей все атомы германия и кремния оказываются взаимосвязанными. Плоские модели кристалли­ческих решеток чистого германия Ge и кремния Si изображены на рис. 7.2.2, б. На этом рисунке парные ковалентные связи показаны двумя параллельными линиями, соединяющими два соседних атома, а электро­ны, образующие эти связи,— в виде черных точек.

При сообщении электрону дополнительной энергии ковалентная связь может нарушиться, и он станет свободным.

Место на внешней орбите атома, где ранее находился электрон, называют дыркой. На энергетической диаграмме дырке соответствует свободный энергетический уровень в валентной зоне, с которого электрон перешел в зону проводимости (рис. 7.2.2, г).

Образование свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне называют генерацией подвижных носителей заряда, или генерацией пар электрон — дырка, поскольку появление свободного электрона в зоне проводимости обязательно сопровождается появлением дырки в валентной зоне.

Свободный электрон может, теряя часть своей энергии, из зоны проводимости перейти в валентную зону, заполнив собой одну из име­ющихся в ней дырок. При этом восстанавливается ковалентная связь. Этот процесс называют рекомбинацией. Таким образом, рекомбинация всегда сопровождается потерей пары электрон - дырка.

При заданной температуре в полупроводнике всегда имеются разо­рванные ковалентные связи, т. е. некоторое количество свободных элек­тронов и соответствующее им число дырок. Если к такому полупровод­нику подключить источник напряжения, свободные электроны под дей­ствием образовавшегося электрического поля будут двигаться в сторону положительного полюса, создавая электрический ток. Кроме того, элек­троны могут покидать одни ковалентные связи и восстанавливать дру­гие — разрушенные. При этом в одном месте дырка исчезает, а в другом, откуда ушел электрон, появляется. Следовательно, в полупро­воднике могут перемещаться не только электроны, но и дырки, и электри­ческий ток включает две составляющие: электронную, образуемую путем перемещения свободных электронов, и дырочную, создаваемую при пере­мещении дырок. Дырке условно соответствует положительный единичный заряд, равный заряду электрона.

Полупроводники, которые состоят только из атомов германия или кремния, называют чистыми, или собственными, а электропро­водность (способность проводить электрический ток), обусловленную наличием свободных электронов и дырок,— собственной электропроводностью.

Для придания полупроводниковым приборам необходимых свойств в полупроводники добавляют примеси других элементов. В качестве таковых используются пяти- и трехвалентные элементы, расположенные в V и III группах таблицы Менделеева.

При внесении в германий или кремний пятивалентных элементов (фосфора Р, мышьяка As, сурьмы Sb и др.) четыре валентных электрона примесных атомов образуют устойчивые ковалентные связи с атомами основного вещества. Пятые валентные электроны примесных атомов оказываются как бы лишними, они слабо связаны с атомами, и до­статочно тепловой энергии, сообщаемой им при комнатной температуре, чтобы они смогли оторваться от атомов и стать свободными. При этом примесный атом превращается в положительный ион.

Появление свободных электронов не сопровождается дополнительны­ми разрушениями ковалентных связей, а наоборот, некоторые дырки «исчезают», рекомбинируя (восстанавливая связь) со свободными элек­тронами. Следовательно, в таких полупроводниках свободных электронов значительно больше, чем дырок, и протекание тока через полупроводник будет в основном определяться движением электронов и в очень малой степени — движением дырок. Это полупроводники n -типа (от латинского слова negative - отрицательный), примеси же называют донорами. Энергетическая диаграмма полупроводника n -типа приведена на рис. 7.2.3, а.

           (Стр. с рис. 7.2.3, 7.2.4, 7.2.5.)

                             

 

 

Рис. 7.2.3. Энергетические диаграммы примесных полупроводников:

а – n-типа, б – р-типа.

 

Если в германий или кремний ввести трехвалентные атомы бора В, индия In, алюминия Al, галлия Ga и др., то три валентных электрона примесных атомов обрадуют устойчивые ковалентные связи с тремя ря­дом расположенными атомами основного вещества. Для образования четвертой ковалентной связи примесным атомам не хватает по одному электрону. Эти электроны они получают вследствие разрыва ковалентных связей между атомами основного вещества. Причем на месте ушед­шего электрона образуется дырка, а примесные атомы, принявшие по электрону, превращаются в отрицательные ионы. Таким образом, в полупроводнике образуется дополнительное количество дырок, а число свободных электронов не увеличивается. Электрический ток в таком полупроводнике создается главным образом за счет перемещения дырок в валентной зоне и в незначительной степени - при движении свободных электронов в зоне проводимости. Это полупроводники р -типа (от ла­тинского positive- положительный). Примеси называют акцепторами.

Энергетическая диаграмма примесного полупроводника р-типа приве­дена на рис. 7.2.3, б.

Подвижные носители электрического заряда, которые преобладают в полупроводнике данного типа, называются основными, остальные — неосновными. В полупроводнике n -типа основными носителями за­ряда являются электроны, а неосновными - дырки, в полупроводнике р -типа, наоборот, дырки — основные носители, а электроны — неоснов­ные.