Властивості напівпровідників
Мережа інтернет:
1. Studopedia
2. Vozom.org.ua
3. Studfile.net
4. Wikipedia
Для правильного конструювання схем із застосуванням напівпровідникових приладів необхідно знати основні фізичні процеси, які в них відбуваються.
Усякий кристал, у тому числі і напівпровідниковий, характеризується закономірним розміщенням атомів, які утворюють так звані кристалічні решітки речовини. Взаємне розміщення атомів і відстані між ними визначаються силами міжатомної взаємодії і залежать від природи атомів.
Міжатомні зв'язки в кристалах, як і будь-які хімічні зв'язки, здійснюються завдяки валентним електронам, що знаходяться на зовнішньому шарі електронної оболонки атома. Зовнішній шар оболонки таких напівпровідників, які використовуються при виробництві напівпровідникових приладів (наприклад германій (Ge), кремній (Si) інші), складається з чотирьох електронів, які обертаються навколо ядра. При утворенні кристалів атоми настільки зближуються, що їх зовнішні електронні шари перекриваються. Взаємодія електронних шарів приводить до того, що валентні електрони сусідніх атомів стають загальними, рухаючись орбітами, на кожній з яких може знаходитися не більше двох електронів. Ці загальні орбіти зв'язують між собою атоми напівпровідника, утворюючи так звані ковалентні (двохвалентні) зв'язки. Причому електрони, що беруть участь у зв'язку, належать одночасно обом, зв'язаним між собою атомам.
Кристалічна решітка напівпровідникового елемента має вид куба, у вершинах якого знаходяться атоми. Така кристалічна решітка носить назву кристалічної решітки типу діаманта. Загальний вид кристалічної решітки кремнію (Si) наведена на Рис. 1.1.
Для наочності атомні решітки напівпровідників зображують у виді плоскої сітки, у якій кожен атом з’єднаний ковалентним зв'язком з чотирма найближчими атомами (Рис. 1.2).
Кристалічна решітка кремнію
Схематичне зображення кристалічної решітки чистого напівпровідника
Рис. 1.1. Кристалічна решітка кремнію Рис. 1.2. Схематичне зображення кристалічної решітки чистого напівпровідника
Кристалічні решітки, показані на Рис. 1.1 ‑ 1.2, є ідеальними. Напівпровідники з такими решітками називаються власними або напівпровідниками i-типу (від англійського intrinsic ‑ власний, чистий). При температурі абсолютного нуля (—273° С) усі валентні електрони у власному напівпровіднику зв'язані, і якщо помістити такий кристал в електричне поле, то електричний струм не виникне, оскільки у власному напівпровіднику немає електронів провідності, отже, у цих умовах напівпровідник буде мати властивості ідеального ізолятора.
Вільний електрон (електрон провідності, який не зв'язаний з будь-яким окремим атомом і може переміщуватися кристалом) з'явиться у власному напівпровіднику тільки в тому випадку, якщо валентний електрон звільниться з якого-небудь зв'язку. Для цього необхідна визначена енергія. Ця енергія, яку необхідно надати валентному електрону для того щоб він став електроном провідності, залежить від сили зв'язку валентних електронів з атомами. Для різних напівпровідників сила зв’язку виявляється різною. Оскільки при звільненні електрон отримує додаткову енергію, то його повна енергія буде більшою, у порівнянні зі зв'язаними електронами, на величину, яка потрібна для розриву зв'язку. Якщо відкласти вертикальною віссю повну енергію вільних і зв'язаних електронів, то одержимо графік, показаний на Рис. 1.3.
Рис. 1.3. Енергетична діаграма зон напівпровілника
Енергіями, які більші рівня Wc можуть володіти тільки вільні електрони, а енергіями, що менші рівня Wb — тільки зв'язані валентні електрони. Тому зону енергій вище рівня Wc називають зоною провідності (чи вільною зоною), а нижче рівня We — валентною зоною.
Оскільки в ідеальних кристалах електрони не можуть мати енергію, що лежить у зоні між Wc і Wb, цю зону називають зоною заборонених енергій, або просто забороненою зоною.
Ширина забороненої зони характеризує енергію, яка необхідна для звільнення електрона з валентного зв'язку. Чим більшою є ширина забороненої зони, тим більше потрібно затратити енергії, щоб перевести валентний електрон у вільний стан. Для прикладу: у германію ширина забороненої зони складає 0,72 еВ, кремнію — 1,12 еВ.
Звільнення валентних електронів може відбуватися за рахунок тепла, енергії електричного поля, різних видів випромінювання, чи інших видів енергії. Найбільше напівпровідникові матеріали піддаються впливові тепла.
При нагріванні напівпровідника атоми кристалічних решіток отримують коливальні рухи з амплітудами тим більшими, ніж вищою є температура кристала. Оскільки амплітуда коливань у всіх атомів неоднакова, то при температурі, відмінній від температури абсолютного нуля, завжди існує ймовірність того, що деякі електрони за рахунок теплових коливань атомів отримають енергію, яка більша за ширину забороненої зони, і, в результаті цього, стануть вільними. Причому, чим вищою є температура і менша ширина забороненої зони, тим більше буде таких електронів.
З теорії напівпровідників відомо, що кількість вільних електронів збільшується з температурою за експонентним законом:
де — концентрація вільних електронів (кількість вільних електронів у 1 см3); — ширина забороненої зони; — абсолютна температура, °К; — постійна Больцмана, рівна ; — коефіцієнт, який залежить від температури, ; — постійна Планка, рівна .
У коефіцієнт входить величина , яка носить назву ефективної маси електрона провідності в кристалі. Ця маса може істотно відрізнятися від — маси вільного електрона у вакуумі.
Якщо валентний електрон став електроном провідності, то атом, якому він раніше належав, втрачає електричну нейтральність. Дійсно, якщо всі зв'язки заповнені, то позитивний заряд ядра компенсується негативним зарядом електронів, а звільнення одного з них спричиняє те, що в цьому місці буде переважати позитивний заряд ядра, за абсолютною величиною рівний зарядові електрона. Таким чином місце, яке звільнилося від електрона, має позитивний заряд. Ці вакантні місця, що з'являються у валентних зв'язках, називають дірками. Дірка може бути заповнена валентним електроном із сусіднього зв'язку. При цьому один зв'язок заповниться, а інший зв'язок розірветься і виявиться незаповненим (Рис. 1.4). Отже, дірка може переміщуватися кристалом, а разом з нею буде переміщуватися і позитивний заряд. Дірки можуть брати участь в утворенні електричного струму, оскільки вони так само, як і електрони провідності, можуть пересуватися кристалом і при цьому переносять електричний заряд. Умовно дірку можна розглядати як частку, що є рухомим носієм позитивного заряду, який за значенням рівний зарядові електрона (Ефективна маса дірки, як і ефективна маса електрона в кристалі, може істотно відрізнятися від ).
Схема утворення та переміщення дірки в кристалічних решітках напівпровідника
Рис. 1.4. Схема утворення та переміщення дірки в кристалічних решітках напівпровідника
Оскільки у власному напівпровіднику дірка з'являється тільки при утворенні вільного електрона, то кількість дірок у ньому завжди рівна кількості вільних електронів, тобто , де — концентрація дірок, — концентрація дірок чи електронів провідності в бездомішковому кристалі.
Процес утворення пари електрон провідності ‑ дірка отримав назву генерації. Вільний електрон може зайняти дірку і знову стати валентним електроном, при цьому повинна виділитися енергія, витрачена спочатку на утворення вільного електрона і дірки, тобто енергія, рівна ширині забороненої зони (ця енергія переважно виділяється у виді тепла чи світла). Такий процес перетворення вільного електрона в зв'язаний, що викликає зникнення пари вільний електрон ‑ дірка, називається рекомбінацією.
Із закону збереження енергії випливає, що в стаціонарних умовах кількість носіїв заряду (електронів і дірок), які рекомбінують повинна дорівнювати кількості генерованих. Таким чином, кожен з рухомих носіїв існує («живе») протягом деякого проміжку часу. Середнє значення цього проміжку часу називається часом життя носіїв, позначається для дірок та для електронів і визначається ймовірністю зустрічі даного носія з носієм протилежного знаку, тобто залежить від температури, концентрації рухомих носіїв протилежного знаку і деяких інших факторів.
При відсутності електричного поля в напівпровіднику електричний струм не виникає, оскільки всі напрямки теплового руху рухомих носіїв зарядів однаково ймовірні. Якщо ж в кристалі створити електричне поле, то електрони і дірки, продовжуючи брати участь у хаотичному тепловому русі, будуть зміщуватися під дією електричних сил уздовж поля, що і створить електричний струм.
Немає коментарів:
Дописати коментар