fon1

Структура и свойства полупроводников.

Полупроводники представляют собой обширную группу веществ, которые по своей электрической проводимости занимают среднее положение между проводниками и изоляторами. К полупроводникам относятся кремний (силиций), германий, селен, арсенид галлия и д.р.

Структура вещества.

Каждый атом состоит из ядра с положительным электрическим зарядом, вокруг которого вращаются отрицательно заряженые частицы - электроны.
poluprovodnik1 На рис.1 схематично показаны атомы водорода, кремния (силиция) и германия. Положительный заряд ядра равен общему отрицательному заряду электронов на орбите вокруг ядра и, следовательно, в целом атом электрически нейтрален.
Электроны движутся вокруг ядра по сложным круговым и эллиптическим орбитам. Их максимальное количество на первой (ближайшем к ядру) орбите может быть два, на второй - 8, на третьей -18, на четвертой - 32 и т. д.
Электроны с внешней орбиты играют наибольшую роль в образовании молекул и кристаллов. Их называют валентными, потому что их число определяет валентность химических элементов и они наиболее удалены от ядра и слабо связаны с ним.
При определенных условиях (например, удар частиц из-за их тепловых движений, электрическое поле, облучения разными лучами и т. д.) электроны могут покинуть атом. В этом случае положительный заряд ядра не будут нейтрализован полностью отрицательным зарядом электронов, и атом становится положительно наэлектризованным. Возможен не только отрыв, но также присоединение электронов к атому и он становится отрицательно заряженным. Разрыв и соединение электронов называется ионизацией и не имеет ничего общего с распадом атома, когда изменяется структура атомных ядер. Одновременно с ионизацией в веществе наблюдается и обратный процесс - рекомбинация, при которой положительные ионы связываются с электронами, а отрицательные их теряют и превращаются в электрически нейтральные атомы.

Структура кристаллов.

Ряд веществ, таких как сахар, чугун, гранит и другие, состоят из мелких кристаллов, прочно связанных друг с другом. Такая структура называется поликристаллической. В природе также есть вещества, состоящие из одного единственного кристалла. Такая структура называется монокристалльная и для ее образования необходимы особые условия. Полученные искусственно, для потребности полупроводниковых технологий, кристаллы германия и кремния - это монокристаллы, которые не существуют в природе.
Рассмотрим, как отдельные атомы связаны друг с другом и образуют вещество.

poluprovodnik2

На рис.2а показаны два несвязанных атома водорода. Когда оба атома приближаются друг к другу, их электроны начинают вращаться по одной и той же орбите, общей для двух атомов (рис.2б). Таким образом, они создают прочную связь между ядрами, потому что сила отталкивания между ядрами не позволяет им подойти слишком близко друг к другу, а сила притяжения между каждым электроном и каждым ядром не дает им "разбежаться". Полученная молекула стабильна, и этот тип связи называется ковалентной.

poluprovodnik3

В кристаллах отдельные атомы связаны между собой и образуют кристаллическую структуру, которую имеют все полупроводники. Далее для большей конкретности и ясности рассмотрим явления в силиции, помня, что в германии и других полупроводниках все происходит аналогично.
На рис.3а показана кристаллическая решетка силиция, а на рис.3б выделена его элементарная ячейка в кристалле, состоящая из одного центрального и четырех смежных атомов.

poluprovodnik4 На рис. 4а показана эта же атомная ячейка с орбитами общих электронов. Эта проекция пространственной модели не наглядна, поэтому будем использовать простую модель, как ​​на рис.4б. На ней видно, что центральный атом соединены с четырьмя соседними атомами парой общих электронов.

Обращаем внимание на следующую особенность. Вообще-то, вокруг орбиты силицевого ядра находятся всего 14 электронов, но на внешней орбите - четыре (см. рис.1). Так как электроны внутренних орбит не участвуют в электрической проводимости вещества, для удобства мы представим только четыре валентных отрицательных частицы силиция и будем считать, что ядро имеет не 14, а только четыре положительных единицы заряда каждого ядра для удержания электронов на орбите (рис. 4б).

Общие свойства полупроводников.

В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используются силиций и германий.
Теоретические исследования показали, что силиций во многих отношениях превосходит германий. Но для использования на практике он должен быть очищен в гораздо большей степени чем германий.
Из-за большей химической активности технология производства чистого силиция была намного дороже, чем германия. Поэтому вначале производили в основном германиевые транзисторы. Сейчас же технология очистки отработана и поэтому в большинстве производятся кремневые транзисторы.

Полупроводники можно разделить на две основных группы:
а) элементарные полупроводники - силиций (Si), германий(Ge), селен (Se), теллур (Te), углерод (C), бор (B), сера (S), фосфор (P), мышьяк (As) и др.;
б) полупроводниковые соединения - оксид меди (Cu2O), сульфид кадмия (CdS), карбид кремния (SiC), арсенид галлия (GaAs), антимонид индия (InSb), сульфид свинца (PbS) и др. Сюда также можно включить ряд органических соединений, обладающие полупроводниковыми свойствами.

Имеются ряд особенностей у всех полупроводников:
poluprovodnik5 1. По электропроводности (при стабильной температуре) чистые полупроводники занимают среднее место между проводниками и изоляторами (рис.5), откуда и произошло их название.
2. Добавление незначительного процента примесей очень значительно увеличивает электропроводность полупроводников.
3. Температура особенно сильно влияет на электрическое сопротивление полупроводников, например с его увеличением их сопротивление снижается, а у металлов - увеличивается. Поэтому, в отличие от металлов, они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления.
4. Механизм электрической проводимости полупроводников качественно отличаются от металлов. У металлов электропроводность только электронная, а у полупроводников - электронная и дырочная.

Свойства кремния, германия и селена.

Как уже было сказано, в полупроводниковой технике используют большое количество химических элементов и веществ. Коротко рассмотрим физико-химические свойства кремния, германия и селена.

Кремний (силиций).

Это один из самых распространенных химических элементов - содержание его в земной коре составляет около 25%.
Он был открыт в 1824 году Берцелиусом и принадлежит к группе IV элементов периодической таблицы, т.е. он IV валентности. Его серийный номер 14 и атомная масса равна 28,06.
Силиций может находиться в двух состояниях - аморфном и кристаллическом, но в полупроводниковой технике используется только кристалл. В природе кремний встречается в основном в виде оксидов, образующие кварц, песок, глину, гранит и др.
Кристаллический силиций - это твердое и хрупкое вещество темно-серого цвета с металлическим блеском, плавящийся при температуре 1687º К (или 1414º C). На воздухе чистый силиций покрывается оксидным слоем.
Удельное сопротивление чистого силиция при комнатной температуре равно: ρ = 105Ω mm2/m, но получить его идеально чистым трудно, из-за его большой активности в расплавленном состоянии.
У силиция в полупроводниках элементах, процент посторонних примесей не должен быть более 10-11%.

Германий.

В 1871 году Менделеев предсказал существование и дал подробное описание еще не открытого химического элемента, названный экасилицием.
Через пятнадцать лет Винклеру удалось получить это химическое вещество и он назвал его германием.
Германий - это редкий химический элемент - его содержание в земной коре всего 7·10 -4%.
Германиевая руда содержит гораздо больше железа, меди и цинка, чем германия, а он получается как побочный продукт при извлечении цинка.
Этот полупроводник похож на металл, но его удельное сопротивление ρ = 65 Ω (mm2/m), т.е. тысячи раз больше, чем у металлов с наименьшей проводимостью. К примеру, удельное сопротивление меди составляет ρ = 1,7·10-6 Ω (mm2/m). Нетрудно подсчитать, что проводимость германия примерно в 38 миллионов раз меньше, чем у меди.
Германий твердый, хрупкий и трудно подается обработке. Плавится при температуре 1231º К (или 958º С) и с рядом металлов легко образует сплавы. На воздухе он покрывается тонким слоем оксида.
В его производстве, в основном, появляются две трудности.
Первая связана с тем, что руда содержит ничтожно малый процент германия и он после сложной химическая обработки обычно получается с зернистой (поликристаллической) структурой с значительными примесями.
Вторая трудность сопряжена с очисткой германия, где чаще всего применяется метод зонной плавки. При этом процент примесей получается порядка 5·10-9%.

Селен.

Полупроводниковые свойства селена стали использовать более ста лет назад в виде набора (столбиков) селеновых дисков в выпрямительных устройствах. Его распространенность в земной коре еще меньше, чем германия (7·10-6%), однако технология его производство проста и процент примесей может быть в миллион раз больше, чем в германии. Селеновые диски в выпрямительных устройствах не монокристаллические, а состоят из отдельных мелких зерен.

Собственная проводимость полупроводников.

Чистый полупроводник, у которого нет примесей, называется собственным полупроводником. Рассмотрим его свойства при условии отсутствия дефектов кристалла.
При температуре 0º К (абсолютного ноля) все электроны полупроводника находятся на своих орбитах, т.е. свободные отрицательные носители отсутствуют (рис.6). Если в полупроводниках создать электрическое поле, тока в нем не будет. Следовательно, при абсолютном нуле, они - идеальные диэлектрики.
poluprovodnik6 Когда температура повышается, тепловое движение частиц становится более интенсивным и некоторая часть валентных электронов отрывается от атомов и становятся свободными. Однако такой отрыв приводит к нарушению электрической нейтральности атома, потому что его положительный заряд становится некомпенсирован отрицательным электроном, и атом становится положительным ионом.
В полупроводниках оторванный электрон является обычным явлением для двух соседних атомов, а положительный заряд, появляющийся на месте отрицательной частицы, скорее принадлежит к самой связи, чем к любому из атомов.
Возникший положительный заряд называется дыркой и играет важную роль для электропроводности полупроводника (рис.7).
poluprovodnik7 Сам механизм появление дырок показывает, что в чистом полупроводнике количество свободных отрицательных частиц, получаемых при тепловом движении равно количеству дырок. Другими словами, концентрация n свободных электронов равна концентрации p появившихся дырок. Она называется собственной концентрацией и обозначается как ni и pi соответственно (индекс i - от английского слова intrinsic - присущий, неотъемлемый, свой).
Очевидно, можно написать:
ni = pi
Можно сделать вывод, что при повышении температуры будет увеличиваться концентрация свободных носителей тока и электропроводность.
Эта зависимость показана в следующей формуле:
ni = pi = a·T3/2·e-(ΔWз/2k·T),
где:
а - константа, характерная для определенного полупроводника;
Т - абсолютная температура полупроводника в данный момент;
e = 2,718 - основа натурального логарифма;
ΔWз - ширина запретной зоны полупроводника;
k = 1,38·10-23Дж/К - постоянная Больцмана.
Из этой формулы следует, что собственная концентрация очень увеличивается (экспоненциально) с увеличением температуры. Большая температурная зависимость обязана не столько множителю T3/2, сколько величине степени у е, в которой присутствуют ΔWз и T. Поэтому небольшие отличия в ширине запретных зон (0,72 eV в германии и 1,12 eV в селиции) приводят к значительной разнице в собственной концентрации полупроводников.
По выше приведенной формуле можно найти собственную концентрацию при комнатной температуре:
- кремния: ni = 2,0·1010 в 1см3;
- германия: ni = 2,5·1013 в 1см3
. Этот пример показывает, что при комнатной температуре собственная концентрация носителей тока кремния на три порядка меньше, чем у германии, что связано с большей ширины запрещенной зоны кремния.

poluprovodnik8

Одновременно с повышением температуры увеличивается количество свободных носителей тока, но также увеличивается и рекомбинация, когда электроны взаимодействуют с дырками и оба заряда нейтрализуют друг друга. Таким образом, в полупроводнике устанавливается динамическое равновесие - концентрация свободных носителей остается постоянными для данной температуры.
Дырку можно сравнить с положительным зарядом, способным притягивать электрон. Если дырка привлекает валентный электрон от соседнего атома, первый атом станет нейтральный, а во втором образуется дырка (рис.8). Таким образом, мы можем предположить, что при комнатной температуре в чистом полупроводнике происходит хаотическое движение всех носителей тока (рис.9а).
poluprovodnik9 Когда на кристалл приложено внешнее электрическое поле E, хаотическое движение свободных носителей тока приобретают направленный характер (рис.9б).
Поскольку дырки положительные, они движутся в направлении поля, а электроны отрицательны и движутся против поля. Возникающий при этом ток, в отличие от диффузного тока, называется дрейфовым.

Более подробно это поясняется на рис.10, где показан горизонтальный ряд из кристаллической решетки полупроводника, но в разное время.
Вначале на кристалл не действует электрическое поле и все валентные электроны на месте а).
Далее, в момент б), когда электрическое поле E приложено к кристаллу слева направо, крайний левый электрон переходит к положительному полюсу. На этом месте появляется дырка, которая будет занята следующим соседним электроном.
В момент в) дырка уже занята и не находится в конце кристалла, а переместилась вправо.
Во время г) дырка сдвинулась еще дальше вправо, а в момент д) дошла до правой части кристалла.
poluprovodnik10 Из этого становится ясно, что при наличии электрического поля в полупроводнике есть направленное электронное движение (как в металлах), но также и направленное движение дырок. Следовательно, полупроводники обладают как электронной, так и дырочной проводимостью.
Электронная проводимость называется N проводимостью (от negative - отрицательный), а дырочная - P проводимость (от positiv - положительный).

Здесь мы хотим подчеркнуть кое-что важное. Строго говоря, у чистого полупроводника фактически только электронная проводимость. Она, по своему движению, делится на две категории.
Первая из них включает свободные электроны, имеющие значительную энергию и движутся свободно между атомами. Ко второй категории относятся валентные электроны с меньшей энергией, которые перемещаются скачкообразно от атома к атому.
Теория и практика показывает, что удобнее пренебрегать скачкообразным электронным движением и вместо этого ввести фиктивные положительные частицы, называемые дырками, которые движутся в противоположном направлении. Такая замена значительно облегчает понимание и изучение явления в полупроводниках

.

Примесная проводимость полупроводников.

Удельное электрическое сопротивление чистого германия при комнатной температуре примерно в 4 миллиона раз выше, чем у меди, а у кремния и селена еще больше (см. рис.5). Следовательно, чистые полупроводники приближаются к изоляторам и не используются для изготовления полупроводниковых элементов.
Полупроводники резко увеличивают свою электропроводность, если они содержат примеси других веществ. (Добавление примесей называют легированием.) Незначительное добавление примесных веществ увеличивает их проводимость в сотни и тысячи раз.
Далее мы рассмотрим свойства только кремния, потому что в других полупроводниках эти явления аналогичны.

Если к очищенному силицию добавить в качестве примеси один из элементов, таких как мышьяк, фосфор или сурьму (все V валентности), количество свободных отрицательных частиц становится больше, чем количество положительных дырок, и в результате у кремния будет преобладать электронная проводимость (N-кремний).
При добавлении в чистый кремень одного из элементов - алюминия, индия или бора (все III валентности), количество дырок становится больше, чем количество свободных электронов, и в полученном кремнии будет преобладать дырочная проводимость (P-кремний).
Примеси, вызывающие увеличение электронов называются донорами, а те, которые вызывают преобладание дырок - акцепторы.

Опишем подробнее эти явления.
На рис.11а к чистому кремнию была добавлена ​​сурьма (Sb), которая четырьмя валентными электронами связывается с четырьмя соседними атомами кремния, а его пятый электрон остается несвязанным. Для него требуется минимум энергии (0,01 eV), чтобы стать свободным электроном. При этом, средняя тепловая энергия элементарных частиц при комнатной температуре равна 0,036 eV и поэтому этой энергии ему хватает, чтобы стать свободным, а атому сурьмы - положительным ионом (рис.11б).
poluprovodnik11 Обращаем внимание на то, что при отрыве пятого электрона дырка не образуется, потому что не разрывается валентностное подключение. Кристалл остается электрически нейтральным, потому что положительные ионы-доноры компенсируются свободными электронами. Таким образом полученный N-кремний имеет электронную проводимость, которая зависит от концентрации донорных примесей в полупроводнике.

На рис.12а в чистый кремний добавляется индий (In). В этом случае одна из связей отсутствует, потому что у индия только три валентных электрона. Это равносильно появлению дырки, у которой вполне хватает энергии, чтобы занять место соседнего валентного электрона полупроводника (рис.12б).
poluprovodnik12 В результате тепловых колебаний эта дырка движется хаотично в кристалле, а атом индия, после принятия соседнего электрона, превращается в отрицательный ион. Электрический заряд акцепторов отрицательных ионов компенсируется хаотично движущимися дырками и кристалл в целом электрически нейтральным.
Полученному таким образом P-кремнию присуща дырочная проводимость, которая зависит от концентрации акцепторных примесей в полупроводнике.

Электропроводность, полученная при добавлении примесей, называется примесной проводимостью и играет основную роль протекания электрического тока в полупроводниковом элементе.
Очевидно, что при увеличении концентрации электропроводность полупроводника растет. Однако если эта концентрация становится очень большая (так называемая критическая концентрация Nкр), электрические свойства полупроводника становятся близки к металлическим, а сами полупроводники называется вырожденными. Для кремния Nкр = 1018 см3. В современной полупроводниковой технологии вырожденные полупроводники используются при изготовлении туннельных диодов и полупроводниковых генераторов света (лазеров).

<< Предыдущая Cледующая >>

Вверх

radionet