Полупроводниковые материалы и их электрофизические свойства.

Полупроводниковые материалы и их электрофизические свойства.

Полупроводниками - вещества, занимающие по величине удельной проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Они обладают как свойствами проводника, так и свойствами диэлектрика. Вместе с тем они обладают рядом специфических свойств, резко отличающих их от проводников и диэлектриков, основным из которых является сильная зависимость удельной проводимости от воздействия внешних факторов (температуры, света, электрического поля и др.)
Ширина запрещенной зоны E_g является одним из фундаментальных параметров полупроводниковых материалов. Чем больше E_g, тем выше допустимая рабочая температура и тем более сдвинут в коротковолновую область спектра рабочий диапазон приборов. Для широкозонных полупроводниковых материалов характерны высокие температуры плавления, что создает большие трудности на пути создания чистых и структурно совершенных монокристаллов таких полупроводниковых материалов. Плотность полупроводниковых материалов определяет такие важные технические характеристики, как удельный расход материала, масса прибора. Собственными полупроводниками или полупроводниками типа i называются чистые полупроводники, не содержащие примесей. Примесными полупроводникам называются полупроводники, содержащие примеси, валентность которых отличается от валентности основных атомов. Они подразделяются на электронные и дырочные.

Кристаллическая решетка собственного полупроводника. Валентные электроны. Ковалентная связь. Образование свободных носителей заряда.

Собственные полупроводники имеют кристаллическую структуру, характеризующуюся периодическим расположением атомов в узлах пространственной кристаллической решетки. В такой решетке каждый атом взаимно связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями, в результате которых происходит обобществление валентных электронов и образование устойчивых электронных оболочек, состоящих из восьми электронов.
При повышении температуры или при облучении полупроводника лучистой энергией валентный электрон может выйти из ковалентной связи и стать свободным носителем электрического заряда. (Рис. 1.2)

 

Процесс возникновения свободных электронов и дырок, обусловленный разрывом ковалентных связей, называется тепловой генерацией носителей заряда. Его характеризуют скоростью генерации G. Возникшие в результате генерации электроны и дырки, находясь в состоянии хаотического теплового движения, спустя некоторое время, среднее значение которого называется временем жизни носителей заряда, встречаются друг с другом, в результате чего происходит восстановление ковалентных связей. Этот процесс называется рекомбинацией носителей заряда и характеризуется скоростью рекомбинации R. Состояние полупроводника, когда R=G, называется равновесным.

3.Зонная энергетическая диаграмма: образование энергетических зон в собственных полупроводниках.

Зонная диаграмма

Самую верхнюю из зон, частично или полностью заполненную электронами, называют валентной зоной, а ближайшую к ней незаполненную – зоной проводимости или свободной зоной.
Ширина запрещенной зоны – минимальная энергия, необходимая для переброса валентного электрона в зону проводимости (свободную зону).
Собственные полупроводники- полупроводники, в которых нет атомов примеси.

Процесс обра­зования пар электрон-дырка называют генерацией сво­бодных носителей заряда. Процесс исчезновения электронно-дырочной пары (восстановление ковалентной связи) – рекомбинацией.

4.Кристаллическая решетка примесного полупроводника. Образование свободных носителей заряда. 5.Зонная энергетическая диаграмма примесного полупроводника;

Элекронным полупроводником или полупроводником типа n называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рис.1.3)помимо основных (четырехвалент-ных) атомов содержатся примесные пятивалентные атомы, называемые донорами. В такой кристаллической решетке четыре валентных электрона примесного атома заняты в ковалентных связях, а пятый (“лишний”) электрон не может вступить в нормальную ковалентную связь и легко отделяется от примесного атома, становясь свободным носителем заряда. При этом примесный атом превращается в положительный ион. При комнатной температуре практически все примесные атомы оказываются ионизированными. Наряду с ионизацией примесных атомов в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, в результате которой образуются свободные электроны и дырки, однако концентрация возникающих в результате генерации электронов и дырок значительно меньше концентрации свободных электронов, образующихся при ионизации примесных атомов, т.к. энергия, необходимая для разрыва ковалентных связей, существенно больше энергии, затрачиваемой на ионизацию примесных атомов. Концентрация электронов в электронном полупроводнике обозначается nn, а концентрация дырок - pn. Электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки - неосновными.
Дырочным полупроводником или полупроводником типа p называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рис. 1.4) содержатся примесные трехвалентные атомы, называемые акцепторами. В такой кристаллической решетке одна из ковалентных связей остается незаполненной. Свободную связь примесного атома может заполнить электрон, покинувший одну из соседних связей. При этом примесный атом превращается в отрицательный ион, а на том месте, откуда ушел электрон, возникает дырка.

В дырочном полупроводнике, также как и в электронном, происходит тепловая генерация носителей заряда, но их концентрация во много раз меньше концентрации дырок, образующихся в результате ионизации акцепторов. Концентрация дырок в дырочном полупроводнике обозначается pp, они являются основными носителями заряда, а концентрация электронов обозначается np, они являются неосновными носителями заряда.

6. Основные и неосновные носители. Неподвижный заряд в полупроводниках. Полупроводники, в которых концентрация свободных электронов в зоне проводимости превышает концентрацию дырок в валентной зоне, называются полупроводниками, с электронной электропроводностью или полупроводни­ками n-типа. В полупроводнике n-типа основными носителями (ОНЗ) заряда являются электроны (n_n), а неосновными (ННЗ) – дырки (p_n). n_n0>> p_{n0. Атомы 5-валентных примесей, "потерявшие" по одному электрону, превращаются в положительные ионы. В отличие от дырок положительные ионы прочно связаны с кристаллической решеткой основного полупроводника, являются неподвижными положительными зарядами и, следовательно, не могут принимать непосредственное участие в создании электрического тока в полупроводнике.}

Закон действующих масс

Закон действующих масс: при заданной температуре и любой концентрации примесей произведение концентраций электронов и дырок остается постоянной величиной .

Полупроводниковые материалы и их электрофизические свойства.

Полупроводниками - вещества, занимающие по величине удельной проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Они обладают как свойствами проводника, так и свойствами диэлектрика. Вместе с тем они обладают рядом специфических свойств, резко отличающих их от проводников и диэлектриков, основным из которых является сильная зависимость удельной проводимости от воздействия внешних факторов (температуры, света, электрического поля и др.)
Ширина запрещенной зоны E_g является одним из фундаментальных параметров полупроводниковых материалов. Чем больше E_g, тем выше допустимая рабочая температура и тем более сдвинут в коротковолновую область спектра рабочий диапазон приборов. Для широкозонных полупроводниковых материалов характерны высокие температуры плавления, что создает большие трудности на пути создания чистых и структурно совершенных монокристаллов таких полупроводниковых материалов. Плотность полупроводниковых материалов определяет такие важные технические характеристики, как удельный расход материала, масса прибора. Собственными полупроводниками или полупроводниками типа i называются чистые полупроводники, не содержащие примесей. Примесными полупроводникам называются полупроводники, содержащие примеси, валентность которых отличается от валентности основных атомов. Они подразделяются на электронные и дырочные.

Кристаллическая решетка собственного полупроводника. Валентные электроны. Ковалентная связь. Образование свободных носителей заряда.

Собственные полупроводники имеют кристаллическую структуру, характеризующуюся периодическим расположением атомов в узлах пространственной кристаллической решетки. В такой решетке каждый атом взаимно связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями, в результате которых происходит обобществление валентных электронов и образование устойчивых электронных оболочек, состоящих из восьми электронов.
При повышении температуры или при облучении полупроводника лучистой энергией валентный электрон может выйти из ковалентной связи и стать свободным носителем электрического заряда. (Рис. 1.2)

 

Процесс возникновения свободных электронов и дырок, обусловленный разрывом ковалентных связей, называется тепловой генерацией носителей заряда. Его характеризуют скоростью генерации G. Возникшие в результате генерации электроны и дырки, находясь в состоянии хаотического теплового движения, спустя некоторое время, среднее значение которого называется временем жизни носителей заряда, встречаются друг с другом, в результате чего происходит восстановление ковалентных связей. Этот процесс называется рекомбинацией носителей заряда и характеризуется скоростью рекомбинации R. Состояние полупроводника, когда R=G, называется равновесным.

3.Зонная энергетическая диаграмма: образование энергетических зон в собственных полупроводниках.

Зонная диаграмма

Самую верхнюю из зон, частично или полностью заполненную электронами, называют валентной зоной, а ближайшую к ней незаполненную – зоной проводимости или свободной зоной.
Ширина запрещенной зоны – минимальная энергия, необходимая для переброса валентного электрона в зону проводимости (свободную зону).
Собственные полупроводники- полупроводники, в которых нет атомов примеси.

Процесс обра­зования пар электрон-дырка называют генерацией сво­бодных носителей заряда. Процесс исчезновения электронно-дырочной пары (восстановление ковалентной связи) – рекомбинацией.

4.Кристаллическая решетка примесного полупроводника. Образование свободных носителей заряда. 5.Зонная энергетическая диаграмма примесного полупроводника;

Элекронным полупроводником или полупроводником типа n называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рис.1.3)помимо основных (четырехвалент-ных) атомов содержатся примесные пятивалентные атомы, называемые донорами. В такой кристаллической решетке четыре валентных электрона примесного атома заняты в ковалентных связях, а пятый (“лишний”) электрон не может вступить в нормальную ковалентную связь и легко отделяется от примесного атома, становясь свободным носителем заряда. При этом примесный атом превращается в положительный ион. При комнатной температуре практически все примесные атомы оказываются ионизированными. Наряду с ионизацией примесных атомов в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, в результате которой образуются свободные электроны и дырки, однако концентрация возникающих в результате генерации электронов и дырок значительно меньше концентрации свободных электронов, образующихся при ионизации примесных атомов, т.к. энергия, необходимая для разрыва ковалентных связей, существенно больше энергии, затрачиваемой на ионизацию примесных атомов. Концентрация электронов в электронном полупроводнике обозначается nn, а концентрация дырок - pn. Электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки - неосновными.
Дырочным полупроводником или полупроводником типа p называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рис. 1.4) содержатся примесные трехвалентные атомы, называемые акцепторами. В такой кристаллической решетке одна из ковалентных связей остается незаполненной. Свободную связь примесного атома может заполнить электрон, покинувший одну из соседних связей. При этом примесный атом превращается в отрицательный ион, а на том месте, откуда ушел электрон, возникает дырка.

В дырочном полупроводнике, также как и в электронном, происходит тепловая генерация носителей заряда, но их концентрация во много раз меньше концентрации дырок, образующихся в результате ионизации акцепторов. Концентрация дырок в дырочном полупроводнике обозначается pp, они являются основными носителями заряда, а концентрация электронов обозначается np, они являются неосновными носителями заряда.

6. Основные и неосновные носители. Неподвижный заряд в полупроводниках. Полупроводники, в которых концентрация свободных электронов в зоне проводимости превышает концентрацию дырок в валентной зоне, называются полупроводниками, с электронной электропроводностью или полупроводни­ками n-типа. В полупроводнике n-типа основными носителями (ОНЗ) заряда являются электроны (n_n), а неосновными (ННЗ) – дырки (p_n). n_n0>> p_{n0. Атомы 5-валентных примесей, "потерявшие" по одному электрону, превращаются в положительные ионы. В отличие от дырок положительные ионы прочно связаны с кристаллической решеткой основного полупроводника, являются неподвижными положительными зарядами и, следовательно, не могут принимать непосредственное участие в создании электрического тока в полупроводнике.}