🗊Презентация Полупроводники

Лекция №1 Элементы теории твердого тела Полупроводники Полупроводники Элементы зонной теории Примесные полупроводники

1 Полупроводники

Полупроводники

Структура элементарной ячейки ПП

2 Элементы зонной теории полупроводников Количественный анализ энергетического состояния полупроводниковых материалов и полупроводниковых приборов базируется на зонной теории твердого тела. В автономном (одиночном) атоме расстояния между последовательными энергетическими уровнями непрерывно уменьшаются по мере увеличения энергии. «Потолком» энергетического состояния является уровень ионизации, на котором электрон делается свободным и может покинуть атом. В невозбужденном состоянии верхние уровни атома всегда свободны.

Полупроводник (ПП), как твердое тело, представляет собой множество атомов, сильно взаимодействующих между собой, благодаря малым межатомным расстояниям. Полупроводник (ПП), как твердое тело, представляет собой множество атомов, сильно взаимодействующих между собой, благодаря малым межатомным расстояниям. Поэтому всю совокупность атомов в кристалле ПП следует рассматривать как единое целое. Теория электронов в кристаллических твердых телах должна обязательно учитывать влияние на них атомных «остовов», образующих периодическую кристаллическую решетку. Этими «запрещенными полосами», или зонами, в распределении энергии по квантовым состояниям отделены друг от друга «разрешенные» энергетические зоны.

Собственными полупроводниками, или полупроводниками типа i, называют полупроводники, кристаллическая решетка которых в идеальном случае не содержит примесных атомов другой валентности. Собственными полупроводниками, или полупроводниками типа i, называют полупроводники, кристаллическая решетка которых в идеальном случае не содержит примесных атомов другой валентности. Атомы в кристаллической решетке полупроводника расположены упорядоченно на таких расстояниях друг от друга, что их внешние электронные оболочки перекрываются, и у электронов соседних атомов появляются общие орбиты, посредством которых образуются ковалентные связи.

Энергетические расстояния между уровнями зоны в реальных случаях не превышают 10-17 эВ, т. е. разрешенные зоны практически можно считать сплошными. Энергетические расстояния между уровнями зоны в реальных случаях не превышают 10-17 эВ, т. е. разрешенные зоны практически можно считать сплошными. Нижние энергетические уровни атомов обычно не образуют зон, так как внутренние электронные оболочки слабо взаимодействуют в твердом теле. В связи с этим нижние уровни сохраняют свою «индивидуальность», и их показывают на зонной диаграмме в виде штриховой линии, где каждый штрих как бы соответствует одному атому. В ряде случаев разрешенные зоны перекрываются, и тогда соответствующая запрещенная зона может отсутствовать.

Проводимость в ПП возможна лишь тогда, когда возможен переход электрона на ближайший энергетический уровень. Значит, в проводимости могут участвовать электроны только тех зон, в которых есть свободные уровни. Такие свободные уровни всегда имеются в верхней разрешенной зоне. Поэтому верхнюю зону твердого тела, не заполненную (или не полностью заполненную) электронами при нулевой абсолютной температуре, называют зоной проводимости. Проводимость в ПП возможна лишь тогда, когда возможен переход электрона на ближайший энергетический уровень. Значит, в проводимости могут участвовать электроны только тех зон, в которых есть свободные уровни. Такие свободные уровни всегда имеются в верхней разрешенной зоне. Поэтому верхнюю зону твердого тела, не заполненную (или не полностью заполненную) электронами при нулевой абсолютной температуре, называют зоной проводимости. Зону, ближайшую к зоне проводимости, называют валентной зоной . При нулевой температуре она полностью заполнена, и, следовательно, электроны этой зоны не могут участвовать в проводимости. Но при температуре, отличной от нуля, в верхней части валентной зоны образуются свободные уровни, и эта зона также может обусловить проводимость.

Если ширина запрещенной зоны больше 3 эВ, то вещество относится к диэлектрикам. Если ширина запрещенной зоны больше 3 эВ, то вещество относится к диэлектрикам. Если ширина запрещенной зоны меньше 3 эВ, то вещество считается полупроводником. У проводников запрещенная зона отсутствует совсем.

Перемещение вакантного места внутри кристаллической решетки принято рассматривать как перемещение некоторого положительного заряда, называемого дыркой. Величина этого заряда равна заряду электрона. Перемещение вакантного места внутри кристаллической решетки принято рассматривать как перемещение некоторого положительного заряда, называемого дыркой. Величина этого заряда равна заряду электрона. Процесс образования свободных электронов и дырок под воздействием тепла называют тепловой генерацией. Она характеризуется скоростью генерации G, определяющей количество пар носителей заряда, генерируемых в единицу времени. Помимо тепловой генерации возможна генерация под воздействием света или каких-либо других энергетических воздействий. Возникшие в результате генерации носители заряда находятся в состоянии хаотического движения, средняя тепловая скорость которого определяется формулой :

Двигаясь хаотически, электроны могут занимать вакантные места в ковалентных связях. Это явление называют рекомбинацией и характеризуют скоростью рекомбинации R, определяющей количество пар носителей заряда, исчезающих в единицу времени. Двигаясь хаотически, электроны могут занимать вакантные места в ковалентных связях. Это явление называют рекомбинацией и характеризуют скоростью рекомбинации R, определяющей количество пар носителей заряда, исчезающих в единицу времени. Каждый из подвижных носителей заряда существует («живет») в течение некоторого промежутка времени, среднее значение которого называют временем жизни носителей заряда.

В равновесном состоянии генерация и рекомбинация протекают с одинаковой скоростью (R = G), поэтому в полупроводнике устанавливается собственная концентрация электронов, обозначаемая ni, и собственная концентрация дырок, обозначаемая рi. Поскольку электроны и дырки генерируются попарно, то в собственном полупроводнике выполняется условие ni = рi. В равновесном состоянии генерация и рекомбинация протекают с одинаковой скоростью (R = G), поэтому в полупроводнике устанавливается собственная концентрация электронов, обозначаемая ni, и собственная концентрация дырок, обозначаемая рi. Поскольку электроны и дырки генерируются попарно, то в собственном полупроводнике выполняется условие ni = рi. С увеличением температуры собственные концентрации электронов и дырок растут по экспоненциальному закону, электропроводность полупроводников повышается. Такую электропроводность полупроводников, связанную с нарушением валентных связей, называют их собственной проводимостью.

Полупроводники, кристаллическая решетка которых помимо четырехвалентных атомов содержит атомы с валентностью, отличающейся от валентности основных атомов, и их концентрация превышает собственную концентрацию носителей заряда, называют примесными. полупроводниками Полупроводники, кристаллическая решетка которых помимо четырехвалентных атомов содержит атомы с валентностью, отличающейся от валентности основных атомов, и их концентрация превышает собственную концентрацию носителей заряда, называют примесными. полупроводниками Если валентность примесных атомов больше валентности основных атомов, например, в кристаллическую решетку кремния введены пятивалентные атомы мышьяка, то пятый валентный электрон примесного атома оказывается незанятым в ковалентной связи, то есть становится свободным и легко отрывается от атома. При этом примесный атом оказывается ионизированным и приобретает положительный заряд. Такой полупроводник называют электронным, или полупроводником типа п, а примесные атомы называют донорами. Если в кристаллическую решетку кремния введены атомы трехвалентной примеси, например атомы алюминия, то одна из ковалентных связей оказывается незаполненной. При незначительном тепловом воздействии электрон одной из соседних связей может перейти в незаполненную связь, а на том месте, откуда пришел электрон, возникает дырка. При этом примесный атом приобретает отрицательный заряд. Такой полупроводник называют дырочным, или полупроводником типа р, а примесные атомы называют акцепторами. Электропроводность полупроводников, обусловленную наличием примесей, называют его примесной проводимостью.

С точки зрения зонной теории, при тепловой генерации происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости, а при рекомбинации — их возврат из зоны проводимости в валентную зону. Скорость тепловой генерации обратно пропорциональна ширине запрещенной зоны и прямо пропорциональна температуре Т. С точки зрения зонной теории, при тепловой генерации происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости, а при рекомбинации — их возврат из зоны проводимости в валентную зону. Скорость тепловой генерации обратно пропорциональна ширине запрещенной зоны и прямо пропорциональна температуре Т. Для германия при Т = 3000 К ширина запрещенной зоны имеет значение = 0,72 эВ, для кремния =1,12 эВ, для арсенида галлия =1,41 эВ. Чем шире запрещенная зона, тем меньше концентрация собственных носителей заряда. Электроны в электронном полупроводнике называют основными носителями заряда, а дырки — неосновными. Дырки в дырочном полупроводнике называют основными носителями заряда, а электроны — неосновными.