Фізика та котроль параментрів напівпровідникових матеріалів

1.

*

2.

2

3.

*
* Напівпровідники - це велика група речовин з електронною провідністю, питомий
3
опір яких за нормальної температури змінюється в межах від 10–6 до 10+8 Ом-м.
* Електропровідність напівпровідників великою мірою залежить від зовнішніх
енергетичних впливів, а також від різних домішок, іноді в незначних кількостях
присутніх у тілі власного напівпровідника.
* Напівпровідники, які використовують на практиці, можна поділити на прості
напівпровідники (їхній основний склад утворено атомами одного хімічного
елемента) і складні напівпровідникові композиції, основний склад яких утворено
атомами двох або більшої кількості хімічних елементів.
* Залежно від впливу домішок на провідність розрізняють власні та домішкові
напівпровідники.
* Власний напівпровідник - напівпровідник, що не містить домішок, які впливають на
його електропровідність.
* Для більшості напівпровідникових приладів використовуються домішкові
напівпровідники. Домішками в простих напівпровідниках слугують чужорідні
атоми.
* Якщо домішкові атоми перебувають у вузлах кристалічної решітки, то вони
називаються домішками заміщення, якщо в міжвузлях - домішками впровадження.

4.

*
* Зазвичай як напівпровідникові матеріали в електроніці використовують
4
германій (Ge) і кремній (Si) - елементи четвертої групи періодичної системи
елементів. Вони мають кристалічну структуру у вигляді об'ємно-центрованого
тетраедра, в якому кожен атом пов'язаний з чотирма сусідніми атомами
парноелектронними (ковалентними) зв'язками.
*Утворюючи ковалентний зв'язок, кожен із
чотирьох атомів віддає в користування
свій валентний електрон і водночас
набуває електрон сусіднього атома.
Обидва електрони рухаються спільною
орбітою навколо атомів. У результаті
кожен з атомів, що утворюють кристал,
добудовує свою зовнішню оболонку до 8
електронів, створюючи стійку структуру.

5.

5
*
Ge
Ge
Ge
Ge
а
Ge
* Площинна схема кристалічної решітки германію

6.

*
Коли електрон йде зі свого місця в кристалі, він стає
вільною частинкою і рухається в кристалі хаотично. Залишене
електроном місце називають "діркою". На місце дірки
приходить валентний електрон, розташований поблизу, при
цьому утворюється нова дірка. На місце цієї нової дірки також
приходить електрон, і так далі. Таким чином, дірка
переміщається по кристалу напівпровідника також хаотично.
При застосуванні до кристала зовнішнього електричного
поля рух вільних електронів і дірок відбувається під його
впливом: електрони рухаються до плюса, а дірки - до мінуса.
При цьому дірка поводиться як частинка, заряджена позитивно.
6

7.

7
*
Ge
Ge
Ge
Ge
* Виникнення пари електрон-дірка
Ge

8.

*
Дірка - це розірваний ковалентний зв'язок, що
поводиться як рухомий носій заряду, що дорівнює за модулем
заряду електрона.
Генерація - це явище виникнення пар електрон-дірка під
час отримання атомом напівпровідника додаткової енергії
(теплової, електричної, світлової тощо), що перевищує енергію
зв'язку електрона з атомом.
Рекомбінація - явище зникнення електрона провідності
та дірки провідності при їхній зустрічі, тобто електрон
відновлює ковалентний зв'язок.
8

9.

*
Кількість електронів і дірок у чистому напівпровіднику
невелика, і тому струм у ньому дуже слабкий. Для збільшення
кількості вільних заряджених частинок у напівпровідник
впроваджуються домішки. При цьому використовується
технологія, що дає змогу атомам домішки заміщати атоми
кремнію або германію в кристалічній решітці.
Для збільшення кількості вільних електронів до
напівпровідника підмішують деяку кількість п'ятивалентного
елемента - миш'яку (As). При цьому 4 валентних електрони
атома миш'яку заповнюють ковалентні зв'язки, а п'ятий
електрон залишається вільним. За наявності електричного поля
він переміщується в бік плюса. Якщо атомів домішки
достатньо, то в кристалі протікає значний струм.
9

10.

*
Впровадження атомів миш'яку в кристалічну структуру кремнію з утворенням
вільних електронів
10

11.

*
Домішка, яка утворює вільні електрони, називається
донорною, а напівпровідник з такою домішкою називається
напівпровідником n-типу (від слова negative - негативний).
Для отримання напівпровідника з дірковою
провідністю в нього впроваджують елемент із трьома
електронами на зовнішній оболонці, наприклад, індій (In),
електрони якого можуть заповнити тільки 3 ковалентні зв'язки
з 4. У результаті біля атома індію утворюється дірка, а в
напівпровіднику - діркова провідність.
Така домішка
називається акцепторною, а напівпровідник - p-типу (від
слова positive - позитивний).
11

12.

*
Впровадження атомів індію в кристалічну структуру кремнію з утворенням
вільних електронів
12

13.

*
Якщо блок напівпровідника P-типу з'єднати з блоком
напівпровідника N-типу, результат не матиме жодного значення. У
нас будуть два провідні блоки, що стикаються один з одним, не
проявляючи жодних унікальних властивостей. Проблема полягає у
двох окремих і різних кристалічних структурах. Кількість електронів
врівноважується кількістю протонів в обох блоках. Таким чином, у
результаті жоден блок не має будь-якого заряду.
13

14.

*
14
Унаслідок дифузії деякі дірки з області р-типу будуть переходити
в область n-типу, а вільні електрони - в область р-типу.
У тонкому шарі p-n переходу електрони і дірки рекомбінують, тобто
відбудеться взаємна компенсація зарядів, і тому шар матиме мало вільних
носіїв заряду. Його називають збідненим шаром p-n переходу, який є
замикаючим шаром для основних носіїв зарядів. Ця область стає
непровідним матеріалом із власного напівпровідника. По суті, ми маємо
майже ізолятор, що розділяє провідні леговані області P і N типів.

15.

*
15
Шар p-n переходу схожий на конденсатор, у якого заряджені
пластини - це заряджені межі переходу, а діелектрик - збіднений шар.
У напівпровіднику з германію напруга на p-n переході Uпер.
досягає 0,25-0,3 вольта, а з кремнію - 0,4-0,5 вольт. Між межами p-n
переходу виникає електричне поле Епер., яке називається потенційним
бар'єром

16.

*
16
Якщо подати зворотну напругу Uобр. створену джерелом напруги, на
контакти напівпровідника, тоді зовнішнє поле Евн. створене джерелом напруги,
буде спрямоване в тому самому напрямі, що й поле p-n переходу Епер. яке змусить
електрони й дірки попрямують до контактів із протилежним потенціалом. Це
призведе до того, що концентрація зарядів біля контактів збільшиться, а біля p-n
переходу зменшиться. За рахунок цього потенційний бар'єр займе місце, що
звільнилося, збіднене зарядами і розшириться, що призведе до ще більшого
блокування
носіїв
зарядів.
Однак, навіть за таких умов через бар'єр p-n переходу протікатиме незначний
зворотний струм Iобр., створений неосновними носіями.

17.

*
17
При подачі прямої напруги Uпр. зовнішнє поле Евн. буде спрямоване
протилежно полю p-n переходу Епер.
Електрони і дірки, отримавши додаткову енергію, починають
цілеспрямовано рухатися до p-n переходу, компенсуючи заряди на ньому. А це
означає, що напруга на переході буде зменшуватися і замикаючий шар буде
звужуватися. За різниці Uпр.-Uпер.=0 p-n перехід відкривається і в
напівпровіднику починає текти прямий струм Iпр.