Для полупроводников характерна зависимость удельного электрического сопротивления

Все многообразие веществ в природе с точки зрения их способности проводить электрический ток можно подразделить на три больших класса.

Материалы, удельное сопротивление которых не превышает примерно
10 -2 Ом×см, называются проводниками. К их числу относятся, например, металлы, удельное электрическое сопротивление (r)которых лежит в пределах 10 -6 –
10 -4 Ом×см (например, для серебра при комнатной температуре r = 1,58×10 -6 Ом×см, для сплава нихром r = 1,05×10 -4 Ом×см).

Материалы с удельным сопротивлением больше 10 10 Ом×см называются диэлектриками. (например, при 200 °С для слюды в зависимости от ее состава
r = 10 13 — 10 16 Ом×см, для стекла r = 10 8 — 10 15 Ом×см).

Вещества, удельное сопротивление которых лежит в промежуточной области (от 10 -4 до 10 10 Ом×см), исторически были отнесены к полупроводникам (например, удельное сопротивление сернистого кадмия при комнатной темпе­ратуре в зависимости от технологии его изготовления лежит в пре­делах от 10 -3 до 10 12 Ом-см, германия от 10 -4 до 47 Ом-см, а крем­ния от 10 -4 до 2,2.10 5 Ом-см).

Отнести к какой либо из вышеуказанных групп материал только по данным величины удельного сопротивления на практике оказывается затруднительным, так как значения удельного сопротивления веществ, относящихся к различным классам, перекрываются. Так, например, при чрезвычайно большом содержании примеси бора (

10 21 см -3 ) удельное сопротивление такого классического полупроводникового материала как кремний примерно равно 10 -4 Ом×см, что согласно приведенному выше критерию дает основание считать такой материал проводником. Однако это не так. Точно так же кристаллы арсенида галлия при введении примесей хрома, железа или кислорода становятся практически изоляторами. Их удельное сопротивление возрастает до 10 7 Ом×см, но по всем остальным свойствам эти изолирующие кристаллы по-прежнему являются полупроводниками.

Эти примеры свидетельствуют о том, что классификация веществ, основанная на различии в величинах их удельного сопротивления, чисто условна, хотя с точки зрения использования материалов в электротехнике и электронике вполне оправдана в силу практической важности. При этом особенно трудно разделить полупроводники и металлы.

Кенигсбергер впервые обратил внимание на то, что от металлов полупроводники прежде всего отличаются не величиной, а характером зависимости удельной электрической проводимости от температуры. В первом опубликованном еще 1914 году обзоре по свойствам полупроводников Кенигсберг вводит понятие "класса полупроводников": полупроводниками будут называться проводники с металлической проводимостью, сопротивление которых очень сильно изменяется с температурой. Количественно зависимость проводимости от температуры он предложил описывать соотношением:

где s — проводимость, Т – температура, измеряемая в Кельвинах (Т = 273 + Т[ o C] ), Q – константа, характерная для каждого полупроводникового вещества.

У металлов с ростом температуры r увеличивается пропорционально абсолют­ной температуре Т, то есть

где rо — удельное сопротивление данного металла при Т =0 °С; a — температурный коэффициент сопротивления, равный 1/273. Температурные зависимости удельного сопротивления металла и полупроводника приведены на рис В-3 в качественном сравнительном виде. В широком температурном диапазоне, поведение удельного сопротивления материалов имеет более сложную зависимость.	T
Рис. В-3. Сравнительные зависимости удельного сопротивления металла (Rм) и полупроводника (RП)от температуры.

В общем случае, у металлов, не обладающих сверхпроводимостью, при низких температурах из-за наличия примесей, наблюдается область 1 – область остаточного сопротивления, почти не зависящая от температуры (рис. В-4). Остаточное сопротивление — r_ост тем меньше, чем чище металл. Быстрый рост удельного сопротивления при низких температурах до температуры Дебая θ_д может быть объяснен возбуждением новых частот тепловых колебаний решетки, при которых происходит рассеяние носителей заряда — область 2. При Т > θ_д, когда спектр колебаний возбужден полностью, увеличение амплитуды колебаний с ростом температуры приводит к линейному росту сопротивления примерно до Т_пл — область 3. При нарушении периодичности структуры электрон испытывает рассеяние, приводящее к изменению направления движения, конечным длинам свободного пробега и проводимости металла. Энергия электронов проводимости в металлах составляет 3–15 эВ, что соответствует длинам волн 3–7 Å. Поэтому любые нарушения периодичности, обусловленные примесями, дефектами, поверхностью кристалла или тепловыми колебаниями атомов (фононами) вызывают рост удельного сопротивления металла.

Рис. В-4. Зависимость удельного сопротивления металла от температуры

Типичные температурные зависимости удельной проводимости для некоторых конкретных металлов и полупроводников представлены на рис. В-5.

Рис. В-5.Зависимость электропроводности некоторых веществ от абсолютной температуры. Металлы: 1 — медь, 2 — свинец (ниже 7,3 К становится сверхпроводящим); полупроводники: 3 — графит, 4 — чистый германий, 5 — чистый кремний; ионные проводники: 6 — хлористый натрий, 7 — стекло.

На основании соотношения (В.1) можно заключить, что температурный коэффициент удельной проводимости, определяемый соотношением

у полупроводников – положительный, тогда как у металлов – отрицательный. Однако по знаку температурного коэффициента удельной проводимости также не всегда можно установить принадлежность вещества к классу полупроводников.

По типу носителей заряда полупроводники делятся на ионные и электронные. В ионных полупроводниках носителями заряда служат ионы решетки, а в электронных — электроны и дырки. Типичным представителем ионных полупроводников являются некоторые оксидные стекла. Прохождение тока через такие полупроводники сопровождается переносом вещества. Согласно современным представлениям к классу электронных полупроводников относятся кристаллические материалы, характеризующиеся следующими свойствами:

По удельному сопротивлению – величине и температурной зависимости:

· величина удельного сопротивления лежит в диапазоне от 10 -4 до 10 10 Ом×см;

· в собственном (чистом, не содержащем примесей) полупроводнике проводимость экспоненциально растет с температурой;

· в примесном полупроводнике проводимость сильно зависит от концентрации примесей. В сильно-легированных полупроводниках проводимость очень слабо зависит от температуры — так же, как и в металлах;

· по сравнению с металлами, полупроводники имеют большие значения термоэдс.

По реакции на облучение светом или радиацией:

· полупроводники чувствительны к свету; характерным для полупроводников является появление фото-эдс или изменение сопротивления при освещении;

· проводимость возрастает при облучении полупроводника светом или электронами высокой энергии.

По реакции на внешнее электрическое поле или градиент концентрации:

· в зависимости от характера легирования, заряд может переноситься либо электронами, либо так называемыми поло­жительно заряженными "дырками";

· в электрическом поле дыр­ка движется так же, как позитрон, но в других отношениях эта аналогия отсутствует;

· проводимость возрастает при инжекции носителей заряда из подходящего металлического контакта или из области с противоположным типом легирования.

Следовательно, полупроводники — это такие материалы, кото­рые при комнатной температуре имеют удельное сопротивление в интервале от 10 10 до 10 -4 Ом см, зависящее в сильной степени от структуры вещества, вида и количества примеси и от внешних условий: температуры, освещения, облучения ядерными частицами, электрического и магнитного полей.

К электронным полупроводникам относятся многие вещества:

1) чистые элементы: В, С, Si, P, Аs, Sb, Se, Те, I …;

2) соединения типа а I B YI (СuО, Сu₂О, СuS …), где индек­сы указывают группу элемента в периодической таблице Менделеева;

3) соединения а I B YII (СuCl, AgBr …);

4) соединения а I I B IY (ZnS, CdS, ZnO. );

5) соединения а I II B Y (GaAs, GaP, InAs, InP, AlP, AlBi

6) соединения а YI B YI (SiC….);

7) соединения а I Y B IY (PbS, PbTe . );

8) большинство минералов;

9) многие органические соединения, такие как фталоцианины и полициклические ароматические углеводороды (например, бензол, нафталин, антрацен, нафтацен, коронен и др.).

Полупроводниковыми свойствами обладают так­же ферриты, сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики, твердые растворы полупроводников и другие, более сложные соеди­нения.

Полупроводниковые свойства характерны не только для твердых тел. Существуют и жидкие полупроводники. Однако вследствие процессов атомной диффузии области с различными степенями легирования в таких полупроводниках быстро пере­мешиваются, поэтому создание устойчивых устройств с неодно­родным составом невозможно. В последнее время большое вни­мание привлекли к себе стеклообразные и аморфные полупро­водники, которые могут найти применение в технике в качестве быстродействующих переключателей, если удастся улучшить воспроизводимость их элементного состава, структуры и иных характеристик.

В ароматических углеводородах, которые являются полупроводниками, рост проводимости с температурой ограничен из-за разрушения ве­щества при высоких температурах.

Предметом рассмотрения в настоящем лекционном курсе будут твердые полупроводниковые материалы.

Полупроводниковые материалы обладают проводимостью, кото­рой можно управлять, изменяя напряжение, температуру, освещенность и другие факторы. По способности проводить электрический ток по­лупроводники занимают промежуточное положение между провод­никами и диэлектриками. Способность проводить электрический ток характеризуется удельным электрическим сопротивлением или удель­ной электрической проводимостью . Диапазон значений удельного электрического сопротивления для проводников при комнатной тем­пературе составляет от 1,6•10 -8 до 1•10 -6 Ом•м. Для низкочастотных изоляционных материалов удельное электрическое сопротивление изменяется от 10 6 . 10 8 до 10 14 .. 10 16 Ом•м. Удельное электрическое со­противление для полупроводников составляет 10 -6 …10 9 Ом-м. Эти гра­ницы условны и в определенном диапазоне перекрываются. Это свя­зано с особенностями этих групп материалов.

Одной из особенностей полупроводниковых материалов явля­ется, их поведение при изменении температуры. У проводниковых материалов при температуре, стремящейся к нулю, удельная электрическая проводимость увеличивается, а при переходе в сверхпроводящее состояние — приобретает бесконечно большие значения (рис. 4.1). В отличие от проводников у полупроводников при умень­шении температуры их удельная элек­трическая проводимость уменьшает­ся, а при стремлении температуры к О К полупроводники прекращают проводить электрический ток и пере­ходят в разряд диэлектриков. При по­вышении температуры удельная элек­трическая проводимость полупроводников резко увеличивается.

Рис. 4.1. Зависимость удельной проводимости металлов (1) и полупроводников (2) от температуры

Такой характер поведения полупроводни­ков при изменении температуры позволяет использовать тепло для управления их удельной электрической проводимостью.

Поведение полупроводника зависит также от его внутренней структуры. В проводниковых материалах проводимость связана с появлением свободных зарядов, что вызвано изменением темпера­туры и внутренним строением проводника. Для появления свободных носителей заряда в полупроводниковом материале требуется внешняя энергия (тепловая, механическая нагрузка, облучение ядер­ными частицами, электрическое и магнитное поля и т.д.). Если но­сители заряда появились под действием тепла, то они называются равновесными. В результате воздействия на полупроводник других видов энергии образуются дополнительные неравновесные носите­ли зарядов.

Электропроводность полупроводника резко изменяется при вве­дении в него даже незначительного числа атомов примесного ве­щества. Она зависит также не только количества, но и вида посто­роннего элемента. Например, при введении в химически чистый гер­маний 0,001 % мышьяка его удельная проводимость увеличивается в 10 000 раз.

Полупроводники допускают обратное преобразование электри­ческой энергии в тепловую, световую или механическую.

Дата добавления: 2015-12-29 ; просмотров: 1453 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

К полупроводникам относятся вещества, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Отличительным признаком полупроводников является сильная зависимость их электропроводности от темпера­туры, концентрации примесей, воздействия светового и ионизирующего излучений.

В создании электрического тока могут принимать учас­тие только подвижные носители электрических зарядов. Поэтому электропроводность вещества тем больше, чем больше в единице объема этого вещества находится под­вижных носителей электрических зарядов. В металлах прак­тически все валентные электроны (являющиеся носителя­ми элементарного отрицательного заряда) свободны, что и обусловливает их высокую электропроводность. Например, удельное сопротивление меди r=0,017×10 -6 Ом×м. В диэлектриках и полупроводниках свободных носителей зна­чительно меньше, поэтому их удельное сопротивление вели­ко. Например, для диэлектрика полиэтилена

r = 10 15 Ом×м, а для полупроводника кремния r = 2×10 3 Ом×м.

Характерной особенностью полупроводников является ярко выраженная температурная зависимость удельного электрического сопротивления. С повышением температу­ры оно, как правило, уменьшается на 5. 6% на градус, в то время как у металлов удельное электрическое сопро­тивление с повышением температуры растет на десятые доли процента на градус. Удельное сопротивление полу­проводника также резко уменьшается при введении в него незначительного количества примеси.

Большинство применяемых в настоящее время полупро­водников относится к кристаллическим телам, атомы кото­рых образуют пространственную решетку. Взаимное при­тяжение атомов кристаллической решетки осуществляет­ся за счет ковалентной связи, т. е. общей пары валентных электронов, вращающихся по одной орбите вокруг этих атомов. Согласно принципу Паули, общую орбиту могут иметь только два электрона с различными спинами, поэто­му число ковалентных связей атома определяется его ва­лентностью.

Каждой орбите соответствует своя энергия электрона. Электрон в атоме обладает только некоторыми, вполне определенными значениями энергии, составляющими со­вокупность дискретных энергетических уровней атома.

В процессе образования кристаллической решетки меж­ду атомами возникает сильное взаимодействие, приводя­щее к расщеплению энергетических уровней, занимаемых электронами атомов (рисунок 1.1). Совокупность этих уров­ней называют энергетической зоной. Число подуровней в каждой зоне определяется числом взаимодействующих атомов.

Разрешенные энергетические зоны 1, 3 отделены друг от друга запрещенной зоной 2. Запрещенная зона объ­единяет уровни энергий, которые не могут принимать электроны ато­мов данного вещества. Поскольку ширина разрешенных зон в твер­дом теле не превосходит несколь­ко электрон-вольт (эВ), а число атомов в 1 см 3 достигает 10 22 , раз­ность между уровнями составляет 10 -22 эВ. Таким образом, в преде­лах разрешенной зоны получается практически непрерывный спектр энергетических уровней.

Верхняя разрешенная зона, в которой при абсолютном нуле тем­пературы все энергетические уров­ни заняты, называется заполненной или валентной зоной (на рисунке 1.1. это зона 3). Разрешенная зона, в которой при Т = 0° К элек­троны отсутствуют, называется свободной (на рисунке 1.1 это зона 1).

Ширина запрещенной зоны (зона 2 на рисунке 1.1) является важным параметром, определяющим свойства твердого тела. Вещества, у которых ширина запрещенной зоны DW £ 3 эВ, относятся к полупроводникам, а при DW > 3 эВ — к ди­электрикам. У металлов запрещенная зона отсутствует.

В полупроводниковой электронике широкое примене­ние получили германий (DW = 0,67 эВ) и

кремний (DW =1,12 эВ) — элементы 4-й группы периодической систе­мы. На плоскости кристаллическую решетку этих элемен­тов изображают так, как показано на рисунке 1.2, а. Здесь

Рисунок 1.1. Энергетическая диаграмма кристалла при Т=0° К.

кружками с цифрой 4 обозначены атомы без валентных элект­ронов, называемые атомным остатком с результирующим зарядом +4q (q — заряд электрона, равный 1,6×10 -19 Кл). При температуре абсолютного нуля (0° К) все электроны находятся на орбитах, энергия электронов на которых не превышает энергетических уровней валентной зоны. Сво­бодных электронов нет, и полупроводник ведет себя, как диэлектрик.

При комнатной температуре часть электронов приобре­тает энергию, достаточную для разрыва ковалентной свя­зи (рисунок 1.2, а). При разрыве ковалентной связи в валент­ной зоне появляется свободный энергетический уровень (рис. 1.2, б). Уход электрона из ковалентной связи сопро­вождается появлением в системе двух электрически свя­занных атомов единичного положительного заряда, полу­чившего название дырки, и свободного электрона.

Рисунок 1.2. Условное обозначение кристаллической решетки (а) и энергетическая диаграмма (б) полупроводника с собственной электропроводностью.

Разрыв ковалентной связи на энергетической диаграм­ме характеризуется появлением в валентной зоне свобод­ного энергетического уровня (см. рис.

1.2, б), на который может перейти электрон из соседней ковалентной связи. При таком перемещении первоначальный свободный энер­гетический уровень заполнится, но появится другой сво­бодный энергетический уровень. Другими словами, запол­нение дырки электроном из соседней ковалентной связи можно представить как перемещение дырки. Следователь­но, дырку можно считать подвижным свободным носите­лем элементарного положительного заряда. Процесс обра­зования пар электрон-дырка называют генерацией сво­бодных носителей заряда. Очевидно, что количество их тем больше, чем выше температура и меньше ширина за­прещенной зоны. Одновременно с процессом генерации протекает процесс рекомбинации носителей, при котором электрон восстанавливает ковалентную связь. Из-за про­цессов генерации и рекомбинации носителей зарядов при данной температуре устанавливается определенная концен­трация электронов в зоне проводимости n_i, и равная ей концентрация дырок p_i, в валентной зоне. Из курса физики известно, что

(1.1)

где W_ф — уровень Ферми, соответствующий уровню энер­гии, формальная вероятность заполнения которого равна 0,5 (формальная потому, что уровень Ферми находится в запрещенной зоне и фактически не может быть занят элек­тронами; кривая распределения Ферми-Дирака, характе­ризующая вероятность нахождения электрона на том или ином энергетическом уровне, всегда симметрична относи­тельно уровня Ферми); W_ДН — энергия, соответствующая "дну" зоны проводимости; W_В — энергия, соответствую­щая "потолку" валентной зоны; А_n, А_р — коэффициенты пропорциональности; k — постоянная Больцмана, равная 1,37×10 -23 Дж/град; Т- абсолютная температура, К. В химически чистых полупроводниках уровень Ферми совпадает с серединой запрещенной зоны W_i, а также А_n = А_р = А. Поэтому можно записать:

. (1.2)

Из выражения (1.2) следует, что в чистом полупровод­нике концентрации носителей зарядов зависят от ширины запрещенной зоны и при увеличении температуры возрас­тают приблизи -тельно по экспоненциальному закону (тем­пературные изменения А играют незначительную роль). (Рисунок 1.3) Равенство концентраций n_i и p_i показывает, что такой по­лупроводник обладает одинаковыми электронной и дыроч­ной электропроводностями и называется полупроводни­ком с Рисунок 1.3 Зависимость концентрации собственной электропроводностью.

носителей от температуры.

Дата добавления: 2014-11-10 ; просмотров: 675 . Нарушение авторских прав