ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ РАЗДЕЛ 2 Полупроводники все

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ РАЗДЕЛ 2

Полупроводники – все элементы и химические соединения, имеющие на энергетической диаграмме запрещенную зону шириной 0, 05 – 3 э. В. Простые Сложные Основное свойство – зависимость электрических свойств от внешних факторов и наличия примесей

Энергетическая диаграмма полупроводника WF – энергия уровня Ферми (средний энергетический уровень, вероятность заполнения которого равна 0, 5 при температуре Т = 0 К).

СОБСТВЕННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ Это полупроводники, не содержащие примесные атомы другой валентности (беспримесные) Т=0 К Свободные носители заряда отсутствуют, γ = 0 Т>0 К При переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости одновременно появляется дырка – незаполненный энергетический уровень в валентной зоне (единичный положительный электрический заряд). Процесс образования пары носителей заряда электрон – дырка → генерация. Восстановление ковалентной связи → рекомбинация. времени между ними → время носителей электрического заряда (τn и τр). Промежуток жизни

Термодинамическое равновесие WC генерация рекомбинация WV T = const Vген = Vрекомб Скорость носителей времени генерации G – количество пар заряда, генерируемых в единицу Скорость рекомбинации R – количество пар носителей заряда, исчезающих в единицу времени Для собственного полупроводника τn = τр = τi Равновесная концентрация – постоянное для данного полупроводника и температуры количество свободных носителей заряда в единице объема в состоянии термодинамического равновесия (no = po = ni) Зонная диаграмма собственного полупроводника Удельная проводимость собственного полупроводника

ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ Примеси Донорные (валентность примеси > чем у основного полупроводника) → электронная проводимость (n - тип), основные носители - электроны Акцепторные (валентность примеси < чем у основного полупроводника) → дырочная проводимость (р – тип), основные носители - дырки Энергетический интервал энергия доноров ионизации Кремний Германий Электроны – основные носители Дырки – неосновные носители

Энергия ионизации – энергия, необходимая для отрыва лишнего электрона от донора или добавления недостающего электрона к акцептору. Полупроводники, одновременно содержащие донорные и акцепторные примеси, называются скомпенсированными

ОЦЕНКА КОЛИЧЕСТВА СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости носит вероятностный характер, поэтому оценивается вероятность того, что состояние с энергией W при некоторой температуре Т будет занято электроном. Статистика Ферми-Дирака Вырожденные полупроводники – полупроводники с очень большой концентрацией примесей, в которых уровень Ферми выходит за пределы запрещенной зоны в зону проводимости (для n – типа) или валентную зону (для р – типа). Для них W – WF ≈ k. T. Причины вырождения q Высокая температура q Маленькая ширина запрещенной зоны q Высокий уровень легирования (количество примесных атомов в единице объема)

Статистика Максвелла - Больцмана Используется для невырожденных полупроводников, для которых W – WF >> k. T (≈ 3 k. T) Определение уровня Ферми и концентрации носителей заряда Собственные полупроводники: WF располагается ≈ в середине запрещенной зоны Концентрация каждого вида носителей заряда Эквивалентные плотности состояний электронов и дырок

Const для данного полупроводника и температуры Концентрация собственных носителей заряда Закон действующих масс Примесные полупроводники Донорные (n – тип) Смещение вверх тем >, чем > ND Акцепторные (р – тип) Смещение вверх тем <, чем > NА

ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА ЗАРЯДОВ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ Дрейф Диффузия

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Тепловая энергия Собственный полупроводник Причины появления электронов в зоне проводимости примесного полупроводника: q Переход электронов примесных атомов q Переход своих электронов из валентной зоны Общая концентрация электронов Полулогарифмический масштаб nn = nприм + ni ΔWa – энергия ионизации примеси

Границы рабочего диапазона температур Нижняя граница – температура полного истощения примеси TS Верхняя граница – температура ионизации Ti Ge: TS = 32 K (ND = 1022 1/м 3); Тi = 450 K