Полупроводникови материали


Категория на документа: Други


1. ПОЛУПРОВОДНИКОВИ МАТЕРИАЛИ
1.1. ЗОННА ТЕОРИЯ

Полупроводниците представляват обширна група вещества, които по своята електрическа проводимост заемат средно място между проводниците (метали и сплави с =106108, S/m) и диелектриците (с <10-8, S/m). Проводимостта на полупроводниковите материали зависи силно от наличието на чужди атоми, нееднородности в кристалната решетка и външни въздействия (температура, осветеност, електрическо и магнитно поле, механични въздействия и др.). Тези свойства намират приложение при разработването на полупроводникови елементи с различно функционално предназначение. Най-често използваните полупроводници при производството на полупроводникови елементи са:

силиций (Si),

германий (Ge),

галиев арсенид (GaAs),

селен (Se),

кадмиев сулфид (CdS),

кадмиев селенид (CdSe),

силициев карбид (SiC) и др.

Описването на принципите на проводимостта в полупроводниците и законите, на които се подчинява движението на токоносителите в тях се извършва с помощта на зонната теория на твърдото тяло.

Съгласно тази теория, енергията на електроните в полупроводника може да приема няколко фиксирани стойности.

Областите включващи в себе си няколко близкоразположени дискретни стойности на пълната енергия на електроните образуват така наречените енергийни нива, наречени още разрешени енергийни зони.

Разрешените енергийни зони са разделени една от друга от енергийни интервали, които енергията на електроните не може да заема. Тези енергийни интервали се наричат забранени енергийни зони. При температура, равна на абсолютната нула електроните заемат най-ниските разрешени енергийни нива, където енергията е минимална, при което полупроводниците се проявяват като изолатори.

Съгласно принципа на Паули, във всяко енергетично състояние може да се намира само един електрон. Затова електроните запълват няколко ниски зони, докато високоразположените зони остават незапълнени.

Най-горната от запълнените с електрони разрешени зони се нарича валентна зона, а разположената над нея незапълнена зона - зона на проводимостта. За полупроводниковата техника най-голям интерес представляват двете най-горни зони - валентната и проводимата, както и забранената зона между тях.

Фиг.1.1 илюстрира сруктурата на енергийните зони.
WС е енергията на дъното на зоната на проводимост,
WV е енергията на тавана на валентната зона,
а разликата W = WС -WV (1.1)
се нарича широчина на забранената зона.

Разделянето на твърдите материали на проводници, полупроводници и диелектрици може да се обоснове и с помощта на стойностите, които притежава широчината на забранената зона - фиг. 1.2.

За да премине eлектрон от една зона в друга по-високо разположена зона е необходимо да получи енергия по-голяма от W. При металите липсва забранена зона (фиг. 1.4.) и дори незначително нарастване на енергията осигурява висока електрическа проводимост. Широчината на забранената зона W на различните полупроводници е различна: WGe = 0,67 eV, WSi = 1,12 eV, WGaAs = 1,43 eV и т.н. (фиг. 1.3.). Очевидно, за да се откъснат валентните електрони на Si от атомите в кристалната решетка и да се превърнат в свободни, е необходима по-голяма енергия отколкото при Ge.

При температури, близки до абсолютната нула (-273 С) в полупроводника няма свободни токоносители и той се проявява като идеален изолатор.

При температури над абсолютната нула топлинното движение разкъсва част от ковалентните връзки и част от електроните се превръщат в свободни токоносители. Тези електрони преминават от валентната зона в зоната на проводимост. След преминаването на електрони от валентната зона в зоната на проводимост, във валентната зона се формират "дупки" (ваканции), които могат да бъдат запълвани с електрони от други атоми в кристалната решетка. Така тези дупки се "предвижват" в кристала. Този процес се нарича топлинна генерация на токоносители в полупроводника. Равновесието се възстановява от противоположен процес, наричен рекомбинация. При рекомбинацията част от свободните електрони се завръщат в незапълнените валентни връзки.

При конкретна температура Т настъпва термодинамично равновесие между термогенерацията на токоносители и рекомбинацията им (фиг. 1.5). В зоната на проводимост се установява конкретна, напълно определена концентрация на свободните електрони n0, а във валентната зона - дупки с напълно определена концентрация p0.

Свободните носители на заряд, възникващи в резултат на топлинното въздействие при термодинамичното равновесие на кристалната решетка на полупроводника, се наричат равновесни. Тяхната концентрация се отбелязва с индекс "0". Равновесната концентрация на електрони и дупки в полупроводника се описва чрез изразите:

; (1.2)




Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Полупроводникови материали 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.