Рациональное применение полупроводниковых приборов требует знания физических принципов их работы

Государственный комитет Российской Федерации

по высшему образованию

КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Методическое указания

Красноярск

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Рациональное применение полупроводниковых приборов требует знания физических принципов их работы. Основными процессами в полупроводниковых приборах являются: получение носителей зарядов, управление их концентрацией и движением. Понять механизм управления электрическими зарядами в полупроводниках - значит научиться практически решать вопросы оптимального использования многочисленных и разнообразных полупроводниковых приборов, составляющих элементную базу современной полупроводниковой техники. Теория физических явлений в полупроводниках отличается большой сложностью и может быть усвоена лишь на основе глубокого изучения фундаментальных разделов физики твердого тела с привлечением соответствующего математического аппарата.

Изучение физических принципов работы полупроводниковых приборов невозможно без знания учения об электропроводности твердого тела.

ЭЛЕКТРОНЫ В АТОМЕ. ЭЛЕКТРОНЫ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
Все вещества по электрофизическим свойствам делятся на три больших класса: металлы, диэлектрики, полупроводники.

У металлов удельное электрическое сопротивление ρ находится в пределах 10^-6 – 10^-4Ом·см (например, для серебра при комнатной температуре ρ=1,58·10^-6Ом·см, для сплава нихром ρ=1,05·10^-4Ом·см). Вещества с удельным сопротивлением более 10¹⁰Ом·см являются диэлектриками (например, при 200°С для слюды в зависимости от ее состава ρ=10¹³ – 10¹⁶Ом·см, для стекла ρ=10⁸ – 10¹⁵Ом·см). Удельное сопротивление хороших изоляторов превышает 10¹⁶Ом·см. Вещества с удельным сопротивлением от 10^-4 до 10¹⁰Ом·см были отнесены к полупроводникам (например, удельное сопротивление германия при комнатной температуре лежит в пределах от 10^-4 до 47Ом·см, а кремния - от 10^-4 до 25·10⁵Ом·см). Полупроводники плохо проводят электричество, их нельзя использовать для соединительных проводов и кабелей, но в то же время они создают слишком большие утечки, препятствующие их использованию для изготовления линейных изоляторов и установочной арматуры, и очень широко применяются в полупроводниковой электронике (диоды, транзисторы, термисторы, фотоэлементы и т.д.).

Хотя различие в электрических свойствах веществ было известно очень давно, только квантовая механика смогла объяснить,

почему свойства материалов оказываются настолько различными. Действительно, все твердые тела состоят из положительно заряженных атомных ядер и окружающих их электронов, причем число электронов на атом в изоляторе может быть даже больше, чем в металле. Расстояния между ближайшими атомами и в изоляторах и в проводниках также примерно одинаковы. Например, в кристалле меди расстояние между ближайшими атомами d = 2,56 А, а в алмазе - 1,54 А. В то же время электропроводность меди более чем на 20 порядков превышает электропроводность алмаза. Почему же многие вещества являются изоляторами? Причиной этого является, то, что в твердом теле, так же как и в отдельном атоме, элек­троны не могут иметь произвольную энергию.

Электроны в изолированном атоме, как показывает квантовая теория, могут находиться в определенных состояниях движения, могут иметь строго определенные значения энергии (рис.1). Атомы

2p

W

2s

3s

Рис. 1. Энергетический спектр электронов в атоме

различных элементов отличаются своими системами энергетических уровней, т.е. энергетическими спектрами.

Энергетический спектр атома состоит из серий линий, разделенных запрещенными промежутками. Энергии дозволенных состояний движения изображаются горизонтальными прямыми на вертикальной шкале энергий. Если говорят, что электрон находится на таком-то уровне, то подразумевают, что электрон находится в атоме в

определенном состоянии движения, изображаемом на шкале энергии этим уровнем. Электроны, расположенные ближе к ядру, характеризуются меньшей энергией в атоме по сравнению с более удаленными. В соответствии с их состояниями электроны распределяются по определенным оболочкам вокруг ядра. Обычно распределение электронов по уровням в атоме таково, что атом обладает минимальной (из всех возможных значений) энергией, т.е. электроны стремятся расположиться на более близких от ядра оболочках. Электроны, находящееся на полностью заполненных в соответствии с принципом Паули электронных оболочках, связаны с ядром атома особенно прочно. Они называются внутренними электронами. Электроны внешней (как правило, частично заполненной) оболочки называются валентными.

Распределение электронов по энергиям в атоме натрия (в периодической системе Д.И. Менделеева порядковый номер 11) показано на рис.1: два электрона находятся в состоянии с наименьшей энергией - на уровне 1s (1-я электронная оболочка), восемь электронов располагаются на уровнях 2s и 2p (2-я электронная оболочка), один электрон - на уровне 3s (3-я электронная оболочка), т.е. у атома натрия 10 внутренних электронов и один валентный электрон.

Атом кремния Si имеет 14 электронов, германия Gе - 32 электрона, которые распределены по состояниям следующим образом:

Si⁽¹⁴⁾ 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²

Ge⁽³²⁾ 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 4p².
У этих атомов последняя (верхняя) оболочка заполнена частично, на ней находится по четыре валентных электрона, имеющих наибольшую энергию. Именно они и определяют электропроводность кремния и германия.

Дискретность уровней отчетливо проявляется на спектрах разреженных газов, которые состоят из отдельных узких линий, при этом каждый газ имеет свой специфический спектр.

В нормальном (невозбужденном) состоянии атома электроны должны располагаться на самых низких (наиболее выгодных) энергетических уровнях.

В невозбужденном состоянии атом находится до тех пор, пока какие-либо внешние воздействия (тепло, свет, электрическое поле, удары частиц и другие причины) не сообщат ему добавочную энергию. При передаче добавочной анергии атому какой-нибудь из

электронов может перейти на более высокий разрешенный энергетический уровень при оставшемся свободном более низком уровне, на котором он находился до этого. Такое состояние атома называется возбужденным. В этом состоянии атом и связанный с ним электрон находятся в течение малого промежутка времени, а затем самопроизвольно переходят в состояние с меньшей энергией. При этом электрон возвращается на незаполненный нижний уровень, высвобождая обычно в виде электромагнитного излучения энергию, затраченную ранее на возбуждение. Излучение квантов с частотой видимого света наблюдается, например, в работающих светодиодах, электронно-лучевых, газоразрядных и других приборах. При сообщении очень большой энергии электрон может оторваться от атома и стать свободным, т.е. электрон может перемещаться независимо от атома с любой скоростью и обладать любой энергией. Процесс отрыва и удаления одного или нескольких электронов от атома или молекулы называется ионизацией. При этом атом или молекула, потерявшие один или несколько электронов, становятся положительными ионами. В определенных условиях нейтральный атом или молекула могут захватить лишний электрон и превратиться в отрицательный ион. Процесс перехода иона к нейтральному состоянию путем присоединения недостающего электрона или потери лишнего называется деионизацией.

В твердом теле соседние атомы настолько близки друг с другом, что их внешние оболочки соприкасаются и даже перекрываются. В этом случае на электроны действует не только ядро собственного атома, но и ядра соседних атомов. Притягивая электрон, ядра будут ослаблять связь его в атоме, в результате чего изменяется характер движения электронов. Это приводит к изменению энергетического спектра электронов: к смещению уровней и к расщеплению их в энергетическую зону. Вместо узких уровней отдельного атома в твердом теле образуются широкие энергетические зоны, число уровней в которых равно числу атомов в данном твердом теле. Порядок расположения уровней на энергетической диаграмме твердого тела может не соответствовать порядку расположения энергетических уровней в атоме. В твердом теле электроны перераспределяются в соответствии с принципом Паули, т.е. все нижние уровни энергетического спектра заняты.

Рассмотрим процесс образования металла натрия. При сближении N атомов до расстояний d , равных междуатомным (d₀≈10^-8 см), из-за взаимодействия с соседними атомами уровни

расщепляются, образуются зоны разрешенных значений энергий, между которыми находятся запрещенные зоны (рис.2). Для кристалла с междуатомным расстоянием d₀ получается зонная энергетическая диаграмма (рис.2,а), где по оси X отложена координата электрона

Х

d

в кристалле. В идеальном кристалле электрон не может иметь энергию, соответствующую запрещенной зоне. Для глубоких уровней расщепление невелико, так как находящиеся на них внутренние электроны сильнее связаны с ядром собственного атома и экранируются внешними оболочками (электронами), т.е. практически не взаимодействуют с соседними атомами. На валентные электроны, более удаленные от ядра и слабее с ним связанные, влияние соседних атомов будет значительным, так как в твердых телах расстояние между соседними атомами d₀ имеет тот же порядок, что и размеры электронных оболочек. Для внешних валентных оболочек расщепление может составлять несколько электронвольт. При абсолютном нуле температуры электроны заполняют самые нижние энергетические уровни, где их энергия минимальна. Согласно принципу Паули максимальное число

электронов, которые могут находиться на данном уровне, ограничено. Поэтому электроны заполняют несколько нижних зон. Верхняя из полностью заполненных электронами разрешенных зон, при абсолютном нуле температуры занятая валентными электронами, называется валентной, а следующая за ней незаполненная - зоной проводимости.

В зоне энергетических уровней натрия, которая образовалась при расщеплении уровня 3s, на каждом уровне могут располагаться по два электрона, поэтому N валентных электронов в кристалле будут находиться в нижней половине этой зоны по два на каждом уровне - это и есть валентная зона. К ней примыкает (это характерно для металлов) незаполненная при абсолютном нуле температуры зона разрешенных энергетических уровней - зона проводимости.

Для возникновения тока необходимо упорядоченное движение электронов. Силы поля должны ускорять электроны, движущиеся в одном направлении, и замедлять электроны, движущиеся в обратном направлении. Но ускорение или замедление электронов сопровождается неизбежно изменением их энергий, т.е. переходом с одних уровней на другие. Электропроводность в твердом теле возможна лишь тогда, когда возможен переход электрона на другой энергетический уровень. Это означает, что в проводимости могут участвовать электроны только тех зон, где есть свободные уровни, а при температуре абсолютного нуля они имеются лишь в самой верхней разрешенной зоне - зоне проводимости.

Так как в процессах электропроводности и в химических реакциях принимают участие валентные электроны, то в дальнейшем при рассмотрении твердых тел зоны энергетических уровней, занятые внутренними электронами, приниматься во внимание не будут (внутренние электроны сильно связаны с ядром и не влияют на проводимость кристалла).

Электропроводность твердых тел зависит от взаимного расположения зоны проводимости и валентной зоны. Именно по характеру энергетических диаграмм твердые тела более четко разделяются на проводники (металлы), полупроводники и диэлектрики (изоляторы) (рис.3).

В металлах зона проводимости и валентная зона перекрываются, электроны валентной зоны могут легко переходить в зону проводимости независимо от температуры тела. В зоне проводимости электроны принадлежат всему твердому телу и свободно внутри него перемещаются.


Проводящее состояние в металле является обычным. Число электронов проводимости во всех металлах имеет порядок 10²² в 1см³ и не зависит от температуры, в то время как

величина электрического сопротивления различных металлов изменяется в десятки раз и зависит от температуры.

Удельное сопротивление металла
, (1)
где σ- удельная электропроводность; е- заряд электрона; μn-подвижность электронов.

Подвижность электронов μ_n -коэффициент пропорциональности между скоростью упорядоченного движения электронов и напряженностью электрического поля (численно равна той средней упорядоченной скорости, с которой движутся электроны в данном теле при напряженности поля, равной 1 В/см). Так как во всех металлах число свободных электронов примерно одинаково, то величина сопротивления определяется главным образом значением подвижности электронов, которая, в свою очередь,

зависит от строения кристаллической структуры металла, её упорядоченности. Подвижность уменьшается при возрастании температуры (увеличиваются тепловые колебания решетки), увеличении содержания примесей, нарушающих упорядоченность кристаллической решетки (больше торможений электронов). Поэтому сопротивление металлов возрастает при увеличении температуры, а сопротивление сплавов всегда больше сопротивления металлов, из которых он составлен.

В диэлектриках и полупроводниках между валентной зоной и зоной проводимости есть область значений энергий, которыми не могут обладать электроны в кристалле (запрещённая зона). Минимальное расстояние между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны называют шириной запрещенной зоны (ΔW).

Ширина запрещенной зоны ΔW - один из важнейших параметров материала, определяющий его электрические свойства (указывается в электронвольтах). Чем больше число оболочек в атоме, тем меньше ширина запрещенной зоны, тем слабее валентные электроны связаны с ядром.

В отличие от металлов при нулевой температуре у изоляторов и полупроводников зона проводимости пуста, электропроводность отсутствует.

В диэлектрике и при обычных условиях электроны практически не попадают в зону проводимости, поэтому такое вещество не проводит электрического тока и обладает большим сопротивлением. Плотность электронов проводимости в хороших диэлектриках при комнатной температуре на 1 см³ составляет всего 1-100 электронов против 10²² в проводниках, поэтому сопротивление диэлектриков в 10²²–10²³ раз выше сопротивления металла. Сопротивление диэлектрика зависит от ширины запрещенной зоны и температуры. Чем меньше ширина запрещенной зоны и выше температура, тем больше число тепловых возбуждений (больше забросов из валентной зоны в зону проводимости) и меньше сопротивление диэлектрика. Изоляционные свойства диэлектрика ухудшаются при возрастании температуры.

Полупроводники по величине удельной электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами и имеют обширную область значений. Их удельная проводимость сильно зависит от температуры и концентрации примесей, а во многих случаях и от различных внешних воздействий (света, электрического поля и т.д.).
Для производства полупроводниковых приборов необходимы материалы с определенной величиной ширины запрещенной зоны ΔW, чтобы обеспечить электропроводность в заданном диапазоне рабочих температур прибора.