Звоните! 
 (926)274-88-54 
 Бесплатная доставка. 
 Бесплатная сборка. 
Ассортимент тканей

График работы:
Ежедневно. С 8-00 до 20-00.
Почта: soft_hous@mail.ru
Читальный зал -->  Промышленная электроника 

1 2 [ 3 ] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

геометрическую фигуру, показанную на рис. 1.3, а. На условном плоскостном изображении кристаллической решетки кремния (рис. 1.3, б) кружочками в узлах показаны остатки атомов без валентных электронов, причем цифра -\- 4 означает положительный заряд такого остатка; двумя линиями между соседними атомами изображены ковалентные связи и валентные электроны в них. Около каждого атомного остатка четыре валентных электрона компенсируют его положительный заряд, так что кристалл в целом остается электрически нейтральным. На рис. 1.3,6 один атом в центре выделен для наглядности пунктирной окружностью.

Ковалентная связь



Атомы

Ковалентные связи

Рис. 1.3. Объемная структура части кристаллической решетки кремния или германия (а) и ее схематическая плоскостная модель (б)

При отсутствии примесей и температуре абсолютного нуля Г = О К в кристалле полупроводника все валентные электроны находятся в ковалентных связях атомов, так что свободных электронов нет. В этом случае кристалл не может проводить электрический ток и является идеальным диэлектриком.

При температуре выше абсолютного нуля атомы кристалла под воздействием тепловой энергии совершают колебания около узлов кристаллической решетки. Амплитуда этих колебаний тем больше, чем выше температура кристалла. Те электроны ковалентных связей, которые получают тепловую энергию, равную или превышающую ширину запрещенной зоны AW, на определенную величину, отрываются и уходят из связей. Они становятся свободными (рис. 1.4, а) и могут перемещаться по кристаллу между узлами решетки. Свободный электрон является подвижным носителем отрицательного заряда.

Появление свободного электрона сопровождается разрывом

ковалентной связи и образованием в этом месте так называемой дырки. Дырка проводимости, или просто дырка, - это место в ковалентной связи, не занятое электроном. Отсутствие отрицательного электрона в ковалентной связи равносильно появлению в этом месте положительного заряда -\- е, равного по величине заряду электрона. Этот положительный заряд приписывается дырке. Дырка может заполниться электроном из соседней связи; при этом в данной связи дырка исчезает, а в соседней - появляется. Это равносильно перемещению дырки по кристаллу в направлении, противоположном переходу электрона по кова-лентным связям (рис. 1.4,6). Перемещение дырки сопровожда-


Свободный злектрон


Рис. 1.4. Генерация пар свободный электрон - дырка в результате разрушения ковалентной связи (а) и перемещение дырки в кристалле (б)

ется передвижением положительного заряда, поэтому дырку можно рассматривать как частицу, являющуюся подвижным носителем положительного заряда.

Свободные электроны движутся в пространстве между узлами кристаллической решетки, а дырки - по ковалентным связям, поэтому подвижность отрицательных носителей заряда больше, чем положительных.

Процесс образования пары свободный электрон - дырка называют генерацией пары носителей заряда. Отражение этого процесса на энергетической диаграмме (рис. 1.5) соответствует переходу электрона из валентной зоны в зону проводимости с одновременным появлением вакантного уровня энергии (дырки) в валентной зоне. Это позволяет электронам валентной




зоны перемещаться на вакантный уровень, изменяя соответственно свою энергию.

При отсутствии примесей в полупроводнике дырка появляется только при образовании свободного электрона, поэтому концентрация дырок р, в нем всегда равна концентрации электронов л,. Концентрация подвижных носителей заряда зависит от температуры кристалла и ширины запрещенной зоны: концентрация носителей заряда возрастает с повышением температуры и уменьшением ширины запрещенной зоны. Следовательно, удельная электрическая проводимость полупроводника, пропор-

Зона проводимости

Валентная зона

Свободный злентрон

. Генерация пар Рекомбинация

.Освободившийся уровень-дырка

Рис. 1.5. Энергетическая диаграмма, иллюстрирующая собственную электропроводность полупроводника при разрушении ковалентной связи

циональная концентрации носителей заряда, также увеличивается с повышением температуры, а ее величина больше в полупроводниках с меньшей величиной AW.

Свободный электрон, совершая хаотическое движение, может заполнить дырку в ковалентной связи; разорванная ковалентная связь восстанавливается, а пара носителей заряда - электрон и дырка - исчезает: происходит рекомбинация носителей заряда противоположных знаков. Этот процесс сопровождается выделением избыточной энергии в виде тепла или света. На энергетической диаграмме рис. 1.5. рекомбинация соответствует переходу электрона из зоны проводимости на вакантный уровень в валентной зоне.

Оба процесса - генерация пар носителей заряда и их рекомбинация - в любом объеме полупроводника происходят одновременно. Соответствующая концентрация носителей заряда устанавливается из условия динамического равновесия, при котором число вновь возникающих носителей заряда равно числу рекомбинирующих. Промежуток времени между моментом генерации носителя заряда и его рекомбинацией называют временем жизни свободного электрона или дырки, а пройденное носителем заряда за время жизни расстояние - диффузионной длиной. Учитывая, что время жизни отдельных носителей заряда различно, под этими терминами понимают среднее время жизни и среднюю диффузионную длину.

Подвижные носители заряда обусловливают электропроводность полупроводника. При отсутствии электрического поля

носители заряда движутся хаотически. Под действием электрического поля электроны и дырки, продолжая участвовать в хаотическом тепловом движении, смещаются вдоль поля: электроны - в сторону положительного потенциала, дырки - в сторону отрицательного. Направленное движение обоих видов носителей заряда создает электрический ток в кристалле, который имеет две составляющие - электронную и дырочную.

Электропроводность полупроводника, обусловленную равным количеством электронов и дырок, появляющихся вследствие разрушения ковалентных связей, называют собственной электропроводностью. Соответственно беспримесный полупроводник называют собственным полупроводником.

1.1.3. Электропроводность примесных полупроводников

Химически чистые полупроводники используют в полупроводниковой технике в основном в качестве исходного материала, на базе которого получают примесные полупроводники. За счет введения примеси можно значительно улучшить электропроводность полупроводника, создав в нем существенное преобладание одного какого-либо типа подвижных носителей заряда - дырок или электронов. В зависимости от валентности атомов примеси получают полупроводники с преобладанием либо электронной электропроводности, либо дырочной. Сочетание областей с разным типом электропроводности позволяет придать полупроводниковым приборам различные свойства. Примесь вводится в очень малом количестве - один атом примеси на 10-10® атомов исходного полупроводника. При этом атомная кристаллическая решетка не нарушается.

При введении в четырехвалентный полупроводник, например кристалл кремния или германия, примеси пятивалентного химического элемента - мышьяка, сурьмы, фосфора - атомы примеси замещают атомы исходного вещества в некоторых узлах кристаллической решетки (рис. 16, а). Четыре валентных электрона атома примеси создают ковалентные связи с четырьмя соседними атомами исходного полупроводника, а пятый электрон, не занятый в связи, оказывается избыточным и легко отрывается от атома. На его отрыв требуется затратить существенно меньшую энергию, чем на разрыв ковалентной связи, так что уже при комнатной температуре избыточные электроны атомов примеси становятся свободными. Атом примеси, потерявший один электрон, превращается в неподвижный положительный ион, связанный в узле кристаллической решетки, - происходит ионизация атомов примеси. Положительный заряд иона примеси компенсируется отрицательным зарядом свободного электрона,




и слой полупроводника с примесью остается электрически нейтральным, если свободный электрон не уходит из этого слоя. В случае ухода электрона в другие слои полупроводникового кристалла неподвижные заряды ионов примеси образуют песком-пенсированный положительный объемный заряд.

Примесь, атомы которой отдают электроны, называют донорной. При введении донорной примеси концентрация электронов в кристалле резко возрастает. Она определяется в основном концентрацией атомов примеси. Одновременно происходит генерация пар электрон - дырка, но количество электронов, возни-

Свободный электрон


Зона проводимости W

Уровни доноров

Валентная зона б

Рис. 1.6. Появление свободного электрона при введении донорной примеси (а) и энергетическая диаграмма полупроводника п-типа (б)

кающих при этом, значительно меньше, чем количество электронов, отдаваемых донорами. Поэтому концентрация электронов становится значительно выше концентрации дырок: Пп>Рп. Электрический ток в таком полупроводнике создается в основном электронами, т. е, преобладает электронная составляющая тока.

Полупроводник, обладающий преимущественно электронной электропроводностью, называют полупроводником п-типа. В таком полупроводнике электроны являются основными носителями заряда, а дырки - неосновными носителями заряда.

Поскольку содержание примесей невелико, атомы примеси можно рассматривать как отдельные, не взаимодействующие друг с другом. Тогда их энергетические уровни соответствуют уровням отдельного атома и не расщепляются в кристалле на зоны. Такие местные уровни называют локальными.

На энергетической диаграмме полупроводника п-типа (рис. 1.6,6) введение донорной примеси отражается появлением

в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости близко друг от друга расположенных локальных уровней энергии, занятых избыточными валентными электронами атомов доноров при температуре абсолютного нуля. Число этих локальных уровней энергии равно числу атомов примеси в кристалле. На рисунке эти уровни показаны штрихами. Ширина зоны Ад равна разности между энергией нижнего уровня зоны проводимости и локального валентного уровня донора в запрещенной зоне. Она очень мала и составляет 0,01-0,07 эВ в зависимости от выбранного полупроводника и материала примеси. Этим объясняет-


Уровни акцепторов

Зона проводимости

ентная зона

Рис. 1.7. Появление дырки при введении акцепторной примеси (а) и энергетическая диаграмма полупроводника р-типа (б)

ся то, что при комнатной температуре почти все электроны с локальных донорных уровней переходят в зону проводимости и могут участвовать в создании электрического тока.

При введении в кристалл кремния или германия примеси трехвалентного химического элемента, например индия, алюминия, бора или галлия, атом примеси, войдя в узел кристаллической решетки, образует своими тремя валентными электронами только три ковалентные связи с соседними атомами четырехвалентного полупроводника (рис. 1.7, а). Для четвертой связи у него не хватает одного электрона; она оказывается незаполненной, т. е. создается дырка. Для заполнения этой связи атом примеси может захватить электрон из ковалентной связи соседнего атома, так как требуемая для перехода электрона энергия в этом случае невелика. В результате присоединения лишнего валентного электрона атом примеси превращается в неподвижный отрицательный ион, а в соседней ковалентной связи, откуда этот электрон ушел, появляется дырка.

Положительный заряд дырки компенсирует отрицательный



1 2 [ 3 ] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40



ООО «Мягкий Дом» - это Отечественный производитель мебели. Наша профильная продукция - это диваны еврокнижка. Каждый диван можем изготовить в соответствии с Вашими пожеланияи (размер, ткань и материал). Осуществляем бесплатную доставку и сборку.



Звоните! Ежедневно!
 (926)274-88-54 
Продажа и изготовление мебели.


Копирование контента сайта запрещено.
Авторские права защищаются адвокатской коллегией г. Москвы
.