рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Собственные и примесные полупроводники

Собственные и примесные полупроводники - раздел Электроника, Введение в микроэлектронику Собственный Полупроводник. Рассмотрим Механизм Проводимости Полупровод...

Собственный полупроводник. Рассмотрим механизм проводимости полупроводниковых материалов на примере элементарных полупроводников. В кристалле кремния (он находится в четвертой группе таблицы Менделеева) четыре валентных электрона каждого атома образуют четыре ковалентные связи. Каждая связь образована двумя электронами, принадлежащими соседним атомам, - рис. 2.1. В узле решетки находится ион кремния с зарядом +4, ему принадлежат четыре валентных электрона (электроны изображены черными точками). В идеальном полупроводнике, изображенном на рис. 2.1.а, все электроны связаны. Если такой полупроводник поместить в электрическое поле, то ток через него не потечет, так как нет свободных носителей заряда. Если под внешним энергетическом воздействии (например, тепловом) произойдет разрыв валентной связи, то электрон станет свободным и сможет двигаться в электрическом поле . Такой процесс называется генерацией. На месте электрона остается незанятая связь, имеющая избыточный положительный заряд, так как он не скомпенсирован зарядом электрона. Вакантное место в ковалентной связи называется дыркой. В целом кристалл остается электронейтральным. На рис. 2.1.б свободные электроны и дырки изображены темными и светлыми кружками. Если свободный электрон вернется к своему атому в ковалентную связь, то он будет связанным. Такой процесс называется рекомбинацией.

Вакантное место в ковалентной связи – дырка будет перемещаться во внешнем электрическом поле, что равносильно перемещению по полю положительного заряда, а отрицатель-

но заряженный электрон двигается против поля. Механизм проводимости, обусловленный движением связанных электронов по вакантным связям, называется дырочной проводимостью.

Полупроводник, в котором в результате разрыва ковалентных связей образуется равное количество свободных электронов и дырок, называется собственным. Энергия, необходимая для разрыва ковалентной связи, называется шириной запрещенной зоны полупроводника – Eg.

 

 

 

Рис. 2.1. Ковалентные связи в собственном полупроводнике (кремнии)

 

Ширина запрещенной зоны является важнейшей характеристикой полупроводника, например, для кремния она равна Eg = 1,1 эВ, для германия – 0,66 эВ, для арсенида галлия – 1,43 эВ . Единица измерения 1 эВ соответствует энергии электрона , ускоренного разностью потенциалов в 1 В, поэтому 1 эВ = 1,6 ∙ 10-19 К ∙ 1 В = 1,6 ∙ 10-19 Дж.

При комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок в германии равна 1013 см-3, в кремнии –

1010 см-3. С ростом температуры увеличивается число разорванных связей, и концентрация свободных электронов и дырок растет по экспоненте. При приложении электрического поля свободные электроны и дырки (носители заряда) двигаются под воздействием поля, их направленное движение называется дрейфом.

Важной характеристикой полупроводникового материала является подвижность носителей заряда 𝜇. Она численно равна скорости дрейфа v носителей заряда в электрическом поле единичной напряженности

 

μ = , (2.1)

 

где Е – напряженность электрического поля. Подвижность электронов μn и дырок μp разные: μn > μp практически во всех полупроводниках. Чем выше подвижность носителей заряда в полупроводнике, тем более быстродействующие приборы можно изготовить на его основе, тем лучше будет его электропроводность.

В чистом полупроводнике, не содержащем примесей, осуществляется электронная и дырочная проводимость. Электрический ток в собственном полупроводнике складывается из двух составляющих – электронного и дырочного токов, текущих в одном направлении.

Прохождение тока в веществе подчиняется закону Ома I = U/R, где U – разность потенциалов на концах проводника, а R – его сопротивление. В дифференциальной форме закон Ома связывает плотность тока j с электропроводностью σ и напряженностью электрического поля Е:

 

j = σ ∙ E. (2.2)

 


 

Электропроводность σ является обратной величиной удельному сопротивлению ρ

σ = . (2.3)

 

Электропроводность (или проводимость) зависит от концентрации носителей заряда и их подвижности. Поскольку ток в собственном полупроводнике переносится электронами и дырками, то и электропроводность собственного полупроводника σi имеет два слагаемых:

 

σi = e ∙ ni ∙ μn + e ∙ pi ∙ μp , (2.4)

 

где e – заряд электрона, ni и pi – концентрация электронов и дырок. Индекс i показывает, что параметры относятся к собственному полупроводнику (intrinsic английское слово - собственный). В собственном полупроводнике ni = pi

 

σi = e ∙ ni ∙ ( μn + μp). (2.5)

 

Электропроводность σi зависит от ширины запрещенной зоны Еg и температуры Т:

 

σi = σ0 ∙ exp [- Eg/(2kT)], (2.6)

 

где σ0 – предэкспоненциальный множитель, слабо зависящий от температуры, k – постоянная Больцмана.

 

Примесный полупроводник. Рассмотрим электропроводность элементарного полупроводника, в котором один из атомов замещен элементом пятой группы, например, мышьяк в кремнии. Полупроводник, имеющий примеси, называется примесным, а проводимость, созданная примесью, называется примесной.


У мышьяка пять валентных электронов. В решетке кремния четыре валентных электрона мышьяка участвуют в образовании ковалентной связи – рис. 2.2.а. Пятый электрон в ковалентную связь не вступает, он электрически связан с атомом мышьяка (уравновешивает его заряд), но эта связь намного слабее ковалентной. При низких температурах пятый электрон локализован около атома мышьяка, но при повышении температуры он отрывается от атома примеси и может свободно двигаться по кристаллу, а атом мышьяка превращается в положительный ион.

Энергия отрыва пятого электрона от атома примеси ∆Епр намного меньше энергии отрыва электрона из ковалентной связи ∆Епр ≪ Еg. ∆Епр называется энергией активации примеси. ∆Епр в кремнии и германии составляет сотые доли электроновольта. Например, ∆Епр для мышьяка в кремнии составляет 0,05 эВ.

 

 

 

Рис. 2.2. Кристаллическая решетка донорного (а)

и акцепторного (б) полупроводников

 


Вместе с ионизацией примеси может происходить и ионизация основного вещества. Но при не очень высоких температурах количество электронов, оторванных от примеси, будет на порядки больше количества свободных электронов и дырок, образовавшихся за счет разрыва ковалентных связей. Поэтому в таком полупроводнике количество электронов n будет намного больше количества дырок p, такой полупроводник называется электронным или n-типа, а примесь, отдающая электроны, называется донорной.

Донорными примесями в германии и кремнии являются элементы пятой группы таблицы Менделеева: сурьма, фосфор, мышьяк.

Электроны в полупроводнике n-типа называются основными носителями заряда, а дырки – неосновными.

При комнатной температуре в кремнии и германии вся примесь ионизирована, каждый атом примеси отдал один электрон, поэтому концентрация свободных электронов n равны концентрации примеси Nпр: n = Nпр , а формулу (2.4) можно записать в виде

 

σ = e ∙ n ∙ μn + e ∙ р ∙ μp, (2.7)

 

учитывая, что p ≪ n ,

 

σ = e ∙ n ∙ μn = σ = e ∙ Nпр ∙ μn. (2.8)

 

Если в качестве примеси в кристаллическую решетку полупроводника с ковалентной связью ввести атомы элементов третьей группы таблицы Менделеева, например, алюминий в решетку кремния, то одна ковалентная связь не будет полностью заполнена – рис. 2.2.б. В незаполненную связь около атома алюминия может перейти электрон от атома кремния, при этом образуется отрицательный ион алюминия

и свободная дырка, которая перемещается по связям кремния и принимает участие в проводимости полупроводника.

Примесь, захватывающая электроны, называется акцепторной. В этом случае для образования свободной дырки требуется значительно меньшая энергия (энергия активации примеси) ∆Епр, чем для разрыва ковалентных связей кремния: ∆Епр ≪ Еg. Поэтому количество дырок р будет значительно больше количества свободных электронов n и электропроводность кристалла будет дырочной. В таком полупроводнике основными носителями будут дырки, а электроны - неосновными носителями. Полупроводник с акцепторной примесью называется дырочным или р-типа.

Типичными акцепторами в кремнии и германии являются элементы третьей группы таблицы Менделеева: бор, алюминий, галлий. ∆Епр акцепторов в кремнии и германии имеет такой же порядок величины, как и ∆Епр доноров, и составляет сотые доли электроновольта. Для алюминия в кремнии она составляет ∆Епр = 0,06 эВ.

Для электропроводности такого полупроводника, учитывая p ≫ n, формула (2.7) примет вид

 

σ = e ∙ p ∙ μр = σ = e ∙ Nпр ∙ μр. (2.9)

 

При низких температурах, когда тепловой энергии kT недостаточно для полной ионизации примеси (kT≪ ∆Епр ) проводимость примесного полупроводника с ростом температуры будет экспоненциально расти

 

σпр = σ0 ∙ exp [- ∆ Eпр/(2kT)]. (2.10)

 

Последняя формула одинакова для электронных и дырочных полупроводников.

На этом температурном участке происходит активация примеси, концентрация основных носителей в примесном по-

лупроводнике с ростом температуры растет по экспоненте; этот участок называется участком примесной проводимости.

Температурный участок, на котором примесь полностью ионизирована (концентрация основных носителей равна Nпр ), а собственная проводимость σi ≪ σпр, называется участком истощения примесной проводимости. Для этого участка можно считать, что с ростом температуры проводимость практически не изменяется σпр = e ∙ μпр ∙ Nпр ≈ const, так как μпр слабо зависит от температуры.

При дальнейшем повышении температуры, когда концентрация собственных носителей заряда ni становится сравнимой с Nпр , начинается участок собственной проводимости, для которого справедлива формула (2.6). Таким образом, при высоких температурах все примесные полупроводники становятся собственными (при этом исчезают разница между полупроводниками n- и р-типа).

Температура перехода к собственной проводимости зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника и от концентрации примеси. Чем больше ширина запрещенной зоны, тем при более высоких температурах наблюдается собственная проводимость.

 

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Введение в микроэлектронику

Технический университет.. е п новокрещенова..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Собственные и примесные полупроводники

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Исторический обзор
Электроника – раздел науки и техники, в котором исследуются электронные явления в веществе; на основе результатов этих исследований разрабатываются методы создания электронных приборов, электронных

Полупроводниковые ИМС
В первых дискретных полупроводниковых приборах (точечных и сплавных) электронно-дырочный переход формировался после разделения полупроводниковой пластины на кристаллы. Поэтому каждый кристалл требо

Основные принципы интегральной технологии
Важнейшим принципом является технологическая совместимость элементов ИМС с наиболее сложным элементом, которым является транзистор. Структура элементов (диодов, резисторов, конденсаторов)

Гибридные и совмещенные интегральные схемы
Применение полупроводниковых ИМС ограничено следующими причинами: производство полупроводниковых ИМС экономически оправдано лишь в крупносерийном и массовом производстве (основные затраты идут на п

Степень интеграции
Степень интеграции К – это показатель сложности ИМС, характеризуемой числом элементов N, полученных интегральной технологией на общем кристалле:   К = lg N.

Полупроводников (p-n переход)
Для создания контакта электронного и дырочного полупроводников в одну часть кристалла вводится акцепторная примесь, а в другую часть – донорная. Граница раздела между областями кристалла с разного

Основные этапы технологии ИМС
Основными этапами изготовления ИМС являются: · получение чистого полупроводникового материала; · выращивание из него монокристаллических слитков с заданными электрофизическими сво

Выбор полупроводникового материала
Технология ИМС предъявляет к полупроводниковому материалу жесткие требования. Для массового производства приборов и ИМС полупроводниковый материал должен: - иметь высокую химическ

Получение полупроводникового материала
Материалами, используемыми для изготовления ИМС, являются кремний и арсенид галлия. Однако ИМС делают в основном на кремнии, так как технология ИМС на арсениде галлия более сложная и не столь хорош

Получение полупроводниковых пластин
Полупроводниковые слитки режутся на пластины тонкими стальными дисками с алмазной режущей кромкой -рис.3.4.         Рис. 3.4. Резка

Получение эпитаксиальных структур
До 1965 г. выход годных ИМС на биполярных транзисторах не превышал 5 %. Использование в структуре ИМС эпитаксиального слоя позволило увеличить процент выхода годных ИМС до 50 – 70 %. Совре

Методы формирования элементов ИМС
  Основным элементом полупроводниковых ИМС является p-n переход. Для его образования в полупроводник заданного типа проводимости вводятся атомы примеси, создающей проводимость противо

Общая характеристика технологического процесса производства ИМС
Общее количество операций технологического процесса может достигать 200 в зависимости от структуры ИМС и конструкции корпуса.Все операции могут быть разделены на три группы - рис. 3.5.

Типы структур ИМС
Рассмотрим структуры биполярных ИМС. Диффузионно-планарная структура. Функции изоляции элементов в ней выполняют p-n переходы, ограничивающие области отдельных элементов и смещенные

Требования к кремниевым пластинам
Групповая кремниевая подложка представляет собой круглую плоскопараллельную пластину диаметром обычно до 300 мм и толщиной (в зависимости от диаметра) в интервале от 0,2 ÷ 0,3 мм до 1 мм. По

Микроклимат и производственная гигиена
Для повышения выхода годных ИМС и воспроизводимости их параметров важно поддерживать стабильные климатические условия, высокую чистоту воздушной среды, технологических газов и жидкостей. Т

Термическая диффузия примесей
Диффузия проводится с целью внедрения атомов легирующего элемента в кристаллическую решетку полупроводника для образования области с противоположным по отношению к исходному материалу типом проводи

Ионное легирование
Ионное легирование – это технологическая операция введения примесей в поверхностный слой пластины или эпитаксиальной пленки путем бомбардировки ионами примесей. Получение ионов, их ускорен

Эпитаксия
  Термин эпитаксия происходит от греческого epi – на, над и taxis – расположение. Эпитаксия - процесс наращивания на пластину (подложку) монокристаллического слоя (эпитаксиал

Свойства пленки двуокиси кремния
Двуокись кремния широко используется в технологии ИМС: для создания масок, используемых при проведении локальных технологических процессов, формирования подзатворного диэлектрика в МДП-структурах,

Травление
Травление – это удаление поверхностного слоя не механическим, а чаще всего химическим путем. Травление используют для получения максимально ровной бездефектной поверхности пластин, не достижимой ме

Нанесение тонких пленок
Тонкие пленки широко используются как в полупроводниковых, так и в гибридныхИМС. Они являются материалом проводников соединений, резисторов, конденсаторов, изоляции. Помимо требуемых электрофизичес

Проводники соединений и контакты в полупроводниковых ИМС
Элементы ИМС соединяются между собой тонкопленочными проводниками. Предварительно в двуокиси кремния, покрывающей поверхность пластины, вытравливаются окна под контакты. Далее на всю поверхность на

Литография
Литография – это процесс формирования отверстий (окон) в масках, создаваемых на поверхности пластины и предназначенных для проведения локальных технологических процессов (легирования, травления, ок

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
С 1965 г. и по настоящее время полупроводниковая электроника бурно развивается. Ее базовым материалом является кремний. Он прекрасно обрабатывается, обеспечивает получение субмикронных схемных элем

Индексы Миллера
Пусть плоскость отсекает на осях координат отрезки ОА, ОВ и ОС (в единицах периода решетки). Рассчитаем обратные им величины H = 1/ОА, K = 1/ОВ, L = 1/ОС и определим наи­меньшие целые числа с таким

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Щука А.А. Электроника: учеб. пособие / А.А. Щука. СПб.: БХВ-Петербург, 2006. 2. Аваев Н.А. Основы микроэлектроники / Н.А. Аваев, Ю.Е. Наумов, В.Т. Фролкин. М.: Радио и связь, 1991.

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги