книги из ГПНТБ / Сиволобов Н.А. Основы полупроводниковой электроники учеб. пособие

при нулевой температуре в зоне проводимости находится значитель­ ное количество электронов и, следовательно, имеет место проводи­ мость. У полупроводников и изоляторов при нулевой температуре верхняя зона пуста и проводимость отсутствует, в этом их каче­ ственное отличие от металлов. Различие же между полупроводниками и изоляторами в основном количественное и заключается в значитель­ но большей ширине запрещенной зоны у изоляторов.

Поскольку зона проводимости практически сплошная, то энер­ гия электронов в этой зоне может меняться непрерывно, как у изолированных электронов в вакууме. Поэтому электроны в зоне проводимости называются свободными. Однако термин "свободный" характеризует возможность перемещения электрона в зоне проводи­ мости, но отнюдь не означает возможности его вылета за пределы тела. Вылет электрона из твердого тела (термоэмиссия) возможен лишь в результате преодоления весьма высокого потенциального б.арьада на поверхности тела. При обычных рабочих температурах полупроводниковых приборов термоэмиссию можно не учитывать.

пять типов кристаллической решетки: ионная, с ковалентныш свя­ зями, молекулярная, с водородной связью и металлическая.

В соответствии с этим твердые тела также делятся на пять типов.

Для элементов ІУ группы периодической системы (кремния, германия п алмаза) кристаллы образуются в результате ковалентных (парно-электронных) связей между атомами. Парно-электронная, ковалентная (или просто валентна ) называется такая связь атомов, при которой каждый из них остается нейтральным. В основе кристал­ лической решетки этих элементов лежит пространстпенная фигура - тетраэдр, в углах и в центре которой расположены атомы (рис.5,а). Каждый угловой атом, в свою очередь, служит центральным для дру­ гих четырех ближайших атомов, которые также образуют тетраэдр. Для удобства лучше пользоваться плоским эквивалентом тетраэдри~

часть валентных связей нарушается под действием тепловых колеба­ ний атомов в решетке. Число нарушенных связей растет с темпера­ турой.

Нарушение валентных связей приводит к одновременному обра­ зованию свободных электронов и пустых мест - дырок вблизи'- тех атомов, от которых оторвались электроны (рис.6). Дыркой называют незаполненную валентную связь. Дырка ведет себя подобно частице с элементарным положительным зарядом, равным величине заряда электрона. Она, так же как электрон, совершает хаотическое движение в течение некоторого времени после своего появления,

- I t t

временя жизни, а затем рекомбинирует с одним из свободных элек­ тронов или электроном одного из соседних атомов.

На рис.7 показана схема движения дырки в решетке германия как результат последовательного ее замещения электронами, при­ надлежащими разным атомам.

Итак,в полупроводниках имеются два тина подвижных носите­ лей заряда - электроны и дырки.

При нагревании чистого полупроводника свободные электроны и дырки всегда образуются параш. Проводимость чистого однород­ ного полупроводника, обусловленная парішми носителями теплового происхождения, называется собственной.

Проводимость, обусловленную примесными атомами, нарушающими структуру кристаллической решетки, называют примесной проводи­ мостью. Атомы примеси могут по-разному располагаться в решетке собственного полупроводника.

Если ввести в германий атом пятивалентной сурьмы, то четыре из его валентных электронов вступят в связь с четырьмя электро­ нами соседних атомов (рис.р.а) и образуют устойчивую оболочку

Свободные электроны примесного происхождения добавляются к собственным свободным электроном, порожденным термогенерацией , поэтому проводимость полупроводника делается преимущественно электронной. Такие полупроводники называются электронными, или типа 'П (этот термин не следует путать с термином "электрон­ ный полупроводник", подразумевающим отсутствие движения ионов,

- 16 -

см.Введение). Примеси, обусловливающие электронную проводи­ мость, называются донорными (отдающими электроны).

Если ввести в германий атом трехвалентного индия, результат будет иным. Для валентной связи индия с четырьмя соседними атома­ ми германия требуется образование устойчивой восьмнэлектронной оболочки, т . е . нужен дополнительный электрон. Этот электрон, будучи связанным, и превращает атом индия в неподвижный отрица­ тельный ион. На том месте, откуда пришел электрон, образуется свободная дырка. Такие полупроводнши с преимущественно дырочной проводимостью называются дырочными,или типа р , а соответствую­ щие примеси - акцепторными(принимающими электроны).

Б германии и кремнии при комнатной температуре примесные атомы'ионизированы практически полностью.

Поскольку в примесном полупроводнике один тип подвижных носителей заряда превалирует над другим, принято называть

Донорную примесь выбирают такой, чтобы ее валентные уровни располагались в верхней половине запрещенной зоны (ем.рис. 9,б); все эти уровни заполнены при нулевой температуре.

j— ifao еемй faAT4 <? ПУПО/ао S

Акцепторную примесь выбирают такой,чтобы ее валентные уровни располагались в нинней половине запрещенной зоны (рис.9,в) ; все эти уровни пусты при нулевой температуре. Переходы электро­ на с донорного уровня в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторный уровень требуют сравнительно небольшой энергии. Поэтому при нагреве число ионизированных доноров и акцепторов будет гораздо больше числа электронов, способных перейти через

запреп^ннув зону и образовать электронно-дырочную пару. Соответ­ ственно примесная проводимость оказывается гораздо больше соб­ ственной. Этот вывод относится только к сравнительно низким температурам. По мере дальнейшего повышения температуры собствен­ ная проводимость растет непрерывно, а примесная имеет предел, соответствующий ионизации всех примесных атомов. Таким образом, при достаточно высокой температуре проводимость полупроводника всегда бывает почти собственной.

- іе -

Широкое применение германия и кремния объясняется оптималь­ ным сочетанием довольно широкой запрещенной зоны (что обеспечи­ вает малую собственную проводимость при комнатной температуре) и сравнительно большой диэлектрической проницаемости (что обеспе­ чивает неглубокое залегание примесных уровней в запрещенной зоне). Оба свойства обусловливают примесный тип проводимости в широком температурном интервале.

раздела областей с противоположными тилями проводимости (р - п- переходов), которые создаются специальными технологическими приемами.

Чтобы легче представить физические процессы р-п- перехода, рассмотрим вначале контакт двух металлов и контакт металла с

ный переход электронов от Mg к Mj прекратится лишь в равновесном состоянии, когда вероятности перехода электронов, обладающих на­ ибольшими энергиями, окажутся равными, т . е . когда сравняются уров ни Ферми обоих тел (см.рис.10,б).

Г v. c.IC. Энергетические /.иагрр-'ми для двух металлов с различной работоп внхода до соприкосновения (а) и после осущест-і

ШІПННЯ контакта (С)

Более высоким потенциалом (>,!„ в данном случае) всегда обла­ дает металл с меньшей работой выхода и поэтому его называют электроположительным по отношению к другому металлу (Mj-) с большш.і значением ѴѴ0 . Mj заряжен отрицательно по отноше­ нию к .',!.-,.

На практике часто гстречаегся случай, когда поверхности двух металлов разделены тонким (порядка нескольких атомов) слоем диэлектрика, например,окиси (рис . II) .

ДUЭлектрик

а

Р и с . I I . Энепгстические диаграммы для двух металлов,разделённых тонким слоем ді:олектрика; до соприкосновения (а) и после осуществления і.о') контакта