Характеристика полупроводников (ПП)

Полупроводников

Основные полупроводниковые материалы – германий (Ge) и кремний (Si). Мы рассматриваем только их. Это классические полупроводники.

С точки зрения агрегатного состояния ПП – твердые тела.

С точки зрения химии – металлы (в отличие от металлоидов).

С точки зрения электрофизики – полупроводники, занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Их основные отличия:

1. По удельному сопротивлению (сопротивлению единицы объема)

Металлы – 10^–4 – 10^–2 ом·м

Диэлектрики – 10²⁰ – 10²⁶ ом·м

Полупроводники – 10^–1 – 10¹² ом·м

Размерность обусловлена формулой удельного сопротивления.

2. Сильная зависимость удельного сопротивления от температуры Т°.

ТКС_м = + 0, 4... 0,6 %/ °С

ТКС_п = -- 5... 6 %/ °С.

ТКС – температурный коэффициент сопротивления, показывающий, на сколько меняется сопротивление при изменении температуры на один градус.

3. Сильная зависимость от содержания (концентрации) примесей. Пример: нихром – рост сопротивления (сплав никеля и хрома); 10^-5 % Аs в Ge уменьшает удельное сопротивление в 200 раз.

С точки зрения структуры твердые тела бывают кристаллическими и аморфными. Кристаллические, в свою очередь, бывают поли- и монокристаллами.

В электронике используют монокристаллы германия и кремния. Кристаллическая структура полупроводников – периодически повторяющаяся, так называемая, элементарная ячейка, имеющая форму тетраэдра (рис. 2.1). Особенность такой структуры в одинаковых расстояниях центрального атома от всех остальных. Такую решетку называют решеткой типа алмаза. Именно такая структура придает алмазу необычайную твердость.

Мы будем пользоваться плоским аналогом кристаллической решетки (рис. 2.1б).

За счет чего получается такая структура? За счет парноэлектронной или ковалентной связи. Вокруг каждого атома получается по 8 электронов – устойчивая оболочка (рис. 2.2). Соблюдается и принцип Паули – на одной орбите не более двух электронов с разными спинами. Такая картина имеет место лишь при температуре абсолютного нуля. Если температура выше, то атомы начинают колебаться, меняются расстояния между ними, какой-нибудь электрон сможет оторваться от атома. Т.к. он принадлежал двум атомам, то эти соседние атомы частично ионизируются. На том месте, где был электрон, образуется нескомпенсированный положительный заряд, численно равный заряду электрона. Назовем его дыркой. На место дырки может прийти связанный электрон, например, от другого, соседнего атома. В результате наша дырка переместится на другое место и т.д.

В итоге при мы получим свободные (принадлежащие всему кристаллу, а не отдельному атому) электрон и дырку. Т.к. эти носители образовались в результате отрыва электрона от основного вещества (Si или Ge), то и называются они собственными. Концентрация их, т.е. число носителей заряда в единице объема, обозначается или . Нетрудно заметить, что, так как возникновение или же генерация идет парами, то .Такие ПП называются собственными, а величина, обратная удельному сопротивлению – проводимость – собственной проводимостью. Обозначения: ; .

Кроме собственных ПП существуют примесные ПП. Например, вместо атома основного вещества Ge в решетку введен атом из V группы таблицы Менделеева – сурьма (Sb). 4 электрона он отдает соседним атомам Ge, а пятый остается не у дел (рис. 2.3а). Достаточно небольшой энергии, чтобы оторвать его от атома Sb и сделать свободным. При этом остается нескомпенсированным заряд ядра атома примеси, т.е. образуется положительный ион примеси и свободный электрон. Если примесных атомов много, то мы получим, что число электронов будет в ПП больше числа дырок, т.е. преимущественно электронную проводимость. Такой ПП называется электронным или n–типа, а примесь – донором.

Еще один пример, показанный на рис. 2.3б. Примесь – элементы 3-ей группы – бор (В). Три его валентных электрона идут на связь, а четвертая связь остается незавершенной. При Т 0 один из валентных электронов соседних атомов Si может оторваться от своего атома и завершить оболочку бора. В результате атом бора превратится в отрицательный ион. Так как электрон принадлежал сразу двум атомам Si, то они частично ионизируются, на месте валентного электрона образуется положительный заряд, т.е. дырка. Если таких атомов много, то такой полупроводник будет иметь преимущественно дырочную проводимость или проводимость р-типа. Примесь такого типа – акцептор.

Типичные примеси:для Ge доноры: As, Sb, P;

акцепторы: In, Al, Ga, B;

для Si донор: P;

акцептор: B.

Маркировка кристаллов: ГЭС, КЭФ, ГДГ, КДБ. Первая буква – основное вещество (Ge, Si), вторая – тип проводимости (электронный, дырочный), третья – примесь (фосфор, галлий и т.д.). Т.о. в полупроводниках всегда есть носители обоих знаков – электроны и дырки. Носители, которых больше, – основные, меньше – неосновные. Обозначения: n – концентрация электронов, р – концентрация дырок. В примесном полупроводнике n р.