Физика явлений в полупроводниках

Физические процессы в электровакуумных приборах

Список литературы

1. Брускин Д.Э. и др. ²Электрические машины² ч.1, ч.2, 1987 г.

2. Вольдек А.И. ²Электрические машины² 1978 г.

3. Копылов И.П. ²Электрические машины² 1986 г.

4. Токарев Б.Ф. ²Электрические машины² 1990 г.

5. Кацман М.М. ²Электрические машины² 2000 г.

Электронная эмиссия

Процесс излучения электронов поверхностью вещества в вакуум называется электронной эмиссией. При этом различают термоэлектронную, электростатическую, вторичную и фотоэлектронную виды эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия обусловлена нагреванием вещества катода. На кромке тела электроны внешней орбитали обнажаются и подобно газовой пленке окутывают поверхность вещества. Этот электронный слой имеет толщину d»10^-4 мкм. Внутренняя и внешняя части этого слоя, обладая зарядами, создают электрическое поле, удерживающее электроны. При повышении температуры электроны приобретают дополнительную энергию и оказываются способными преодолеть действие внутриатомных сил и электростатического поля слоя и покидать поверхность вещества.

Таким образом, каждый электрон должен преодолеть потенциальный барьер j₀, зависящий от вещества. Металлы различаются свойственными им значениями работы выхода; чем она больше, тем слабее электронная эмиссия. Работа выхода выражается в электронвольтах. 1эВ – это энергия, которым должен обладать электрон с зарядом е =1,6*10^-19 Кл для преодоления разности потенциалов в 1В. 1эВ=1,6*10^-19 Дж.

Вольфрам имеет работу выхода W₀ = 4,52 эВ. Цезий Cs = 1,81эВ, барий Ва = 2,52, магний Mg = 3,6 эВ.

Электростатической электронной эмиссией называется эффект вырыва электронов из поверхности металла сильным внешним электрическим полем. При напряженности эл. Поля в 10⁶ В/см и более наблюдается эмиссия электронов даже с холодной поверхности.

Вторичная электронная эмиссия возникает, если на поверхность вещества направить поток электронов или ионов, называемых первичными. Они сообщают дополнительную энергию электронам металла, достаточную для совершения работы выхода.

Фотоэлектронная эмиссия возникает при воздействии квантов света на поверхность вещества.

Проводимость полупроводников

Полупроводники выделяют из других веществ по значению удельного электрического сопротивления. Считают, что удельное сопротивление металлов менее 10^-4 Ом*см, полупроводников – в диапазоне от 10^-3 до 10⁹ Ом*см, диэлектриков – более 10¹⁰ Ом*см. У металлов удельное сопротивление возрастает с ростом температуры, а у полупроводников – падает.

Из числа полупроводников наиболее часто используют кремний и германий. В последнее время все большее применение для изготовления ИС находит арсенид галлия.

Чистый полупроводник с идеальной кристаллической решеткой называют собственным полупроводником. При температуре абсолютного нуля в нем нет свободных носителей заряда и он является идеальным изолятором, поскольку все четыре валентных электрона участвуют в ковалентных связях между атомами.

По мере нагрева в кристалле возникает колебательное движение узловых атомов решетки. Часть ковалентных связей между атомами разрывается. При этом одновременно образуются свободные электроны и незаполненные связи – дырки вблизи того атома, от которого оторван электрон. Процесс образования электронно-дырочных пар при повышении температуры носит название термогенерации.

Незаполненная связь заполняется одним из валентных электронов смежного атома. На месте этого электрона образуется новая дырка, и этот процесс повторяется. Следовательно, дырка ведет себя подобно частице с положительным элементарным зарядом.

Нарушение ковалентных связей и генерация пар электрон-дырка могут происходить как под действием температуры, так и других квантов энергии, например, под действием света, рентгеновских и g-лучей.

Проводимость собственного полупроводника, обусловленную парными носителями теплового происхождения, называют собственной проводимостью.

Проводимость, обусловленную наличием примесных атомов, называют примесной проводимостью.

Если ввести в кремний атом пятивалентного элемента (например, фосфора, сурьмы или мышьяка), то четыре из пяти валентных электронов этого элемента вступят в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов. Пятый электрон оказывается слабо связанным с ядром пятивалентного элемента и легко делается свободным. При этом примесный атом превращается в неподвижный ион с единичным положительным зарядом.

Свободные электроны примесного происхождения добавляются к собственным свободным электронам. Поэтому проводимость полупроводника становится преимущественно электронной. Такие полупроводники называются электронными или n-типа. Примеси, обуславливающие электронную проводимость, называют донорными.

Если ввести в кремний атом трехвалентного элемента (например, бора, галлия или алюминия), то все три его валентных электрона вступят в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния (рис. 2, б). Для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки нужен дополнительный электрон. Таковым оказывается один из валентных электронов, который отбирается от ближайшего атома кремния. В результате образуется незаполненная связь – дырка, а атом примеси превращается в неподвижный ион с единичным отрицательным зарядом.

Дырки примесного происхождения добавляются к собственным дыркам, так что проводимость полупроводника становится преимущественно дырочной. Такие полупроводники называются дырочными или p-типа. Примеси, обуславливающие дырочную проводимость, называют акцепторными.

Поскольку в примесных полупроводниках концентрация электронов и дырок резко различны, принято называть носителей преобладающего типа основными, а носителей другого типа неосновными. В полупроводнике n-типа основные носители – электроны, а в полупроводнике р-типа – дырки.

Энергетические уровни и зоны

Количественный анализ полупроводников базируется на зонной теории твердого тела. Твердое тело характеризуется совокупностью энергетических зон.

Верхняя разрешенная зона называется зоной проводимости, нижняя – валентной зоной. В полупроводниках и диэлектриках они разделены запрещенной зоной.

Ширина запрещенной зоны равна

j_з = j_п - j_в,

где j_п и j_в – соответственно энергетические уровни для зоны проводимости и потолка валентной зоны. Ширина запрещенной зоны зависит от температуры:

j_з = j_з0 - e_з Т,

где j_з0 – ширина зоны при Т = 0,

Т – абсолютная температура,

e_з – температурная чувствительность.

Для кремния e_з = 3×10^-4 В/°С, а при комнатной температуре

j_з» 1,11 В.

Энергию, соответствующую середине зоны, называют электростатическим потенциалом проводника

j_Е = 1/2 (j_п +j_в).

Электронно-дырочный или p-n-переход

Электронно-дырочным или p-n-переходом называется область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой дырочную проводимости. p-n-переход является основой полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и т.д.

Технологический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть различным: сплавление, диффузия одного вещества в другое, эпитаксия – ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого и др. Однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом – не пропускает.

Устройство p-n-перехода показано на рис. 3.1.

Свободные электроны из зоны полупроводника n-типа перемещаются (диффундируют) в полупроводник р-типа. Здесь они рекомбинируют с дырками. Рекомбинацией называют переход электрона из зоны проводимости в валентную зону, где он занимает один из вакантных уровней, т.е. «уничтожает» дырку.

В результате вблизи границы двух полупроводников образуется так называемый обедненный слой толщиной в несколько микрон, в котором мала концентрация свободных носителей заряда. Этот слой обладает большим удельным сопротивлением. При этом на границе создается двойной слой пространственного заряда (поскольку в р-полупроводнике оказывается избыток электронов, заряд которых не скомпенсирован ионами, а в n-полупроводнике недостаток электронов, т.е. положительный заряд).

Возникшая разность потенциалов j создает в запирающем слое электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу электронов и дырок из одной области в другую. Для германия эта разность потенциалов составляет 0,2 ¸ 0,3 В, для кремния – 0,5 ¸ 0,6 В.

Контактная разность потенциалов препятствует движению основных носителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей. Однако при движении через p-n-переход неосновных носителей (так называемый дрейфовый ток - i_др) происходит снижение контактной разности потенциалов, что позволяет некоторой части основных носителей, обладающих достаточной энергией, преодолеть потенциальный барьер. В результате появляется диффузионный ток - i_диф, который направлен навстречу дрейфовому току, т.е. возникает динамическое равновесие i_др = i_диф.

Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение, совпадающее по направлению с полем контактной разности потенциалов (рис. 3.2.а), то это приведет к расширению запирающего слоя. При этом тока за счет основных носителей практически не будет. В цепи возможен лишь очень незначительный ток за счет неосновных носителей (так называемый обратный ток). В этом случае p-n-переход называют закрытым.

При противоположной полярности внешнего электрического поля (рис.3.2.б) толщина запирающего слоя уменьшается и при напряжении, превышающем контактную разность потенциалов, запирающий слой исчезает. Сопротивление p-n-перехода резко снижается и через него проходит ток. Такое включение p-n-перехода называется прямым, а переход – открытым.

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода записывается в виде уравнения Эберса - Молла:

I = I₀(e^{U/ jT} –1),

где U – напряжение на p-n-переходе; j _T = kT/q – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов на границе p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при Т = 300К, j _T = 0,025В); k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; q – заряд электрона; I₀ - тепловой ток за счет неосновных носителей или обратный ток.

Надо заметить, что тепловой ток для кремниевых переходов ничтожно мал.

Дифференциальное сопротивление p-n-перехода:

r_д = dU/dI = j _T/(I_пр + I_обр),

Пробой p-n-перехода – это резкое изменение режима работы перехода, находящегося под обратным напряжением. При этом происходит резкое уменьшение дифференциального сопротивления перехода. Различают туннельный, лавинный и тепловой виды пробоя.

Туннельный пробой возникает, если расстояние между валентной зоной и зоной проводимости достаточно мало. Тогда возникает туннельный эффект – явление прохождения электронов сквозь потенциальный барьер.

Лавинный пробой возникает, если при движении до очередного соударения с атомом дырка (или электрон) приобретает энергию, достаточную для ионизации атома. При этом происходит лавинное размножение неосновных носителей.

Тепловой пробой возникает при разогреве перехода, например после электрического пробоя, и характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением. После электрического пробоя p-n-переход не изменяет своих свойств. После теплового пробоя, если полупроводник успел нагреться достаточно сильно, свойства перехода необратимо изменяются (соответствующий п/п прибор выходит из строя).

P-n-переход имеет емкость, которая определяется как отношение приращения заряда на переходе к приращению падения напряжения на нем:

C = dq/du.

Эта емкость начинает играть роль при работе на высоких частотах и в импульсном режиме.

С = С_диф+ С_бар,

где С_диф – диффузионная емкость возникающая при прямом напряжении на переходе; С_бар – барьерная емкость, возникающая при обратном напряжении на переходе.