prefață
Semiconductorii sau compușii semiconductori sunt intrinseci (pure) și impurități (dopate). În semiconductoare pure, concentrația electronilor și găurilor fără purtători de sarcină este mică (numai 10 16 -10 18 pe 1 cm3 de materie, pentru comparație, numărul Avogadro NA = 6,62 * 10 23).
Pentru a reduce rezistivitatea semiconductorului și a da un anumit tip de conductivitate - e cu prevalența electronilor liberi (tip n semiconductor) sau găuri cu o preponderență a găurilor (p semiconductor de tip) - un semiconductori curat face anumite impurități. Un astfel de proces se numește dopaj. Elementele 3 și 5 ale sistemului elementar periodic al DI Mendeleyev sunt utilizate ca impurități de aliere. Elementele de aliere ale grupului 3 creează conductivitatea electrică a găurilor a materialelor semiconductoare și se numesc impurități acceptoare, elementele grupului 5 - conductivitatea electrică electronică numită impurități donatoare.
Joncțiunea pn a găurii electronice este un compus de două semiconductori cu diferite tipuri de conductivitate.
Fenomenul joncțiunii pn este baza electronicii semiconductoare. toate elementele semiconductoare sunt doar o colecție de tranziții p-n și diferă doar în număr, ordine și așa mai departe. Parametrii tranzițiilor p-n determină caracteristica principală a elementelor semiconductoare - caracteristicile tensiunii de curent (caracteristică de tensiune curentă).
De asemenea, trebuie remarcat faptul că joncțiunea p-n are o relație neliniară între curentul care trece prin el și tensiunea aplicată acestuia, ca urmare a faptului că toate elementele semiconductoare sunt în esență neliniare.
Caracteristica I-V a joncțiunii p-n este considerată în articolul despre diode.
Semiconductori proprii
Pentru o mai bună înțelegere a următorului material, ar fi bine să vă amintiți cursul de școală al fizicii și al chimiei. Păi, pentru a nu-ți strânge prea mult creierul, o vom face împreună.
Electronii din carcasa exterioară a unui atom se numesc electroni de valență. Atracția reciprocă a atomilor se datorează unei perechi comune de electroni de valență (o legătură covalentă) care se rotesc de-a lungul unei orbite în jurul acestor atomi. Electronii de la Valence, cei mai îndepărtați de nucleu, au cea mai slabă legătură cu el și, prin urmare, pot fi separați de un atom sau moleculă sub influența unui câmp electric, căldură, lumină și alte cauze și devin libere.
Procesul de detașare și îndepărtare a unuia sau mai multor electroni de la un atom sau moleculă se numește ionizare.
Electronii dintr-un atom au doar valori energetice destul de clare, care constituie un set de niveluri de energie discrete ale unui atom. În formarea unui solid cristal cu zăbrele datorită nivelurilor atomilor netocrystalline de energie de interacțiune sunt împărțite și benzi sub formă de energie, co-permanente a individului, nivelul de energie la distanțe apropiate, corespunzător numărului de atomi din corp omogen. Setul de nivele, pe fiecare dintre care pot fi electroni, se numește zonă de valență (permisă).
În spectrul energetic al unui corp solid se pot distinge trei zone: valența (rezolvată) - 3, interzisă - 2 și conductivitatea - 1.
Banda de valență se caracterizează prin faptul că toate nivelurile de energie ale electronilor de valență la o temperatură de 0 K sunt umplută cu ele. caracterizat prin electroni banda de conducție posedă-ing energie care le permite să fie eliberat de legătură cu atomii și mutați în interiorul solidului din cauza unui impact extern (de exemplu, un câmp electric) la temperatura de 0K această zonă nu este umplut cu electroni.
Zona interzisă se caracterizează prin faptul că în limitele ei nu există niveluri de energie pe care ar putea fi localizate electronii.
Lățimea decalajului benzii pentru majoritatea semiconductorilor este de 0,1 ± 3 eV, în timp ce pentru semiconductorii destinați creării dispozitivelor cu temperatură ridicată este de 6 eV. Pentru germaniu, această valoare este de 0,72 eV pentru Si - 1,12, galiu arseniura - 1.4 kremniya- carbura 2.3 - 3.1, pentru fosfură de galiu - 2.2 eV.
Dacă lărgimea benzii interzise este ΔWs> 6 eV, în condiții obișnuite, electronii practic nu intră în banda de conducție și, prin urmare, o astfel de substanță nu conduce un curent electric și se numește dielectric. Pentru metale și aliajele lor, banda interzisă este absentă; au o bandă de conducere și o bandă de valență se suprapun. În consecință, ele au o bună conductivitate și sunt numite conductori.
În semiconductori la o temperatură diferită de zero, unii electroni au suficientă energie pentru a intra în banda de conducere. Electronii din banda de conducție devin liberi, concentrația lor în semiconductorul intrinsec este notată cu ni.
Grijă de electroni din banda de valență conduce la ruperea formarea legăturii covalente, și în aceasta zona neumplut (sa-mers în gol) nivelul de energie (sarcină pozitivă), numita gaura-Vai, a cărui concentrație într-un semiconductor intrinsec este notat cu pi. electroni valența atomilor învecinate sub influența câmpului electric poate muta nivelurile libere, creând o gaură în celălalt loc. În acest caz, mișcarea electronilor poate fi privită și ca mișcarea încărcăturilor pozitive - găuri.
In semiconductor absolut pur și omogen (concen-trarea de impurități este atât de mică încât nici un efect semnificativ asupra conductivității specifice semiconductoare) cu ritm-turii diferit de 0K, produce electroni si gauri-ki. Procesul de formare a perechilor electron-hole este numit generare. După apariția sa, gaura sub acțiunea energiei termice realizează o mișcare haotică în banda de valență în același mod ca un electron din banda de conducere. În acest caz, procesul de captare a electronilor banda de conducție prin găuri în banda de valență este posibil. Legăturile rupte covalente sunt restabilite, iar purtătorii de sarcină - electronii și gaura - dispar. Procesul de eliminare a legăturii electron-hole se numește recombinare. Ea este însoțită de eliberarea energiei, care merge la încălzirea rețelei cristaline și este parțial emisă în mediul extern.
Timpul scurs între generarea purtătorului la dispariția sa (recombinarea) numită τ durata de viață purtătoare. iar distanța parcursă de încărcătura purtătoare în timpul vieții-audio, o lungime de difuzie L. mai riguros lungimea de difuzie este definită ca distanța pe care concentrația de uzură-Leu scade cu un factor e (e ≈ 2.7). Durata de difuzie și durata de viață a electronilor și găurilor sunt legate de relațiile:
Dn și Dp sunt coeficienții de difuzie ai electronilor și, respectiv, găurilor.
Procesul de ocupare a electronilor de unul sau alt nivel al energiei este de natură probabilistică și este descris de funcția de distribuție Fermi-Dirac:
W este energia unui electron liber;
Wf este nivelul de energie Fermi, funcția Fermi pentru care este 0,5 la temperaturi diferite de 0K;
k este constanta Boltzmann;
T este temperatura absolută.
Într-un semiconductor pur (propriu), nivelul energiei Fermi Wfi poate fi determinat din relația:
Wv și Wc sunt plafonul banda de valență și, respectiv, partea inferioară a benzii de conducție.
Astfel, nivelul Fermi într-un semiconductor pur la orice temperatură este situat în mijlocul benzii interzise.
Într-un semiconductor adecvat, într-o stare de echilibru în stare de echilibru, procesele de generare sunt egale prin procese de recombinare, a căror viteză este proporțională cu concentrația de electroni și găuri:
Semiconductoare cu impurități
Atomul de impuritate, care creează un nivel de energie în banda interzisă, care este ocupată de electroni în stare neașteptată și dă un electron în stare excitată banda de conducere, se numește donator.
Atomul impuritate, care creează în decalaj banda electroni liberi nivel energetic Resurse de cal în undriven co-în picioare și capabil de a capta un electron din banda de valență la excitare prin crearea găuri în banda de valență se numește un acceptor.
Atunci când se face un silicon ger element de pre-curățat mania pentavalent impurității - donor (. R. fosfor arsen de antimoniu Sb As) atomii de impuritate înlocuiesc atomii de bază în rețeaua cristalină. In patru din cele cinci electroni de valență sub-impuritate atomii formează o legătură covalentă cu patru atomi vecine din materiale semiconductoare. Al cincilea electron este inutil.
Energia de ionizare a atomilor donatori este mult mai mică decât energia de ionizare a semiconductorilor intrinseci. Prin urmare, la temperatura camerei, electronii de exces de impuritate sunt excitați și trec în banda de conducere. Atomii impurităților care au pierdut un electron în exces sunt convertite în ioni pozitivi. Numărul de electroni este Nd. transformând sub acțiunea energiei termice în banda de conducere de la nivelul donatorului Wd. depășește considerabil numărul de electroni ni. trecerea la banda de conducție din banda de valență în timpul generării de perechi de electroni-gauri. Prin urmare, putem presupune că concentrația electronilor de conducere este complet determinată de concentrația impurității donatorului nn≈Nd. iar concentrația găurilor este:
Concentrația găurilor din semiconductorul donator este mult mai scăzută decât în semiconductorul intrinsec. În acest sens, găurile pn sunt purtătoare minoritare, iar electronii nn sunt purtătorii principali. Prin urmare, un semiconductor donator este numit un semiconductor cu electroni sau un semiconductor de tip n.
Când adăugați germaniu, cristal de siliciu sau un element trivalent impuritate - acceptor (. Gallium Ga, indiu In, bor B) atomii de impuritate înlocui atomii zăbrele ale nodurilor semiconductoare. Pentru a forma patru legături covalente, un electron de valență a atomilor de impuritate nu este suficient.
Este necesară o energie externă suficient de mică, astfel încât electronii din nivelele superioare ale benzii de valență să se deplaseze la nivelul impurității, formând legăturile covalente care lipsesc.
În acest caz, nivelurile excesive (găuri) apar în banda de valență, care participă la crearea unui curent electric. Datorită ionizării atomilor din materialul inițial, unii electroni din banda de valență se încadrează în banda de conducție. Numărul de găuri din semiconductorul acceptor depășește numărul de electroni:
Prin urmare, găurile pp sunt purtătorii principali, iar electronii np nu sunt de bază. Semiconductorii cu impurități acceptoare sunt numiți tip p de tip p sau semiconductori.