Для полупроводников характерна зависимость удельного электрического сопротивления

Все многообразие встречающихся в природе веществ с точки зрения их способности проводить электричество можно разделить на три больших класса.

Материалы, удельное сопротивление которых не превышает ок.
10 -2 Ом×см называются проводниками. К этому классу относятся, например, металлы, удельное сопротивление которых (r) составляет от 10 -6 до
10 — 4 Ом×см (например, серебро при комнатной температуре r = 1,58 × 10 — 6 Ом×см, сплав нихрома r = 1,05 × 10 — 4 Ом×см).

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

Вещества, удельное сопротивление которых лежит в промежуточном диапазоне (от 10 -4 до 10 10 Ом×см), исторически называются полупроводниками (например, удельное сопротивление сульфида кадмия при комнатной температуре, в зависимости от технологии его производства, составляет 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).

На практике трудно отнести материал к одной из вышеупомянутых групп только на основании значений удельного сопротивления, поскольку значения удельного сопротивления веществ, принадлежащих к разным классам, перекрываются. Так, например, при очень высоком содержании примеси бора (

10 21 см-3 ), удельное сопротивление классического полупроводникового материала, такого как кремний, составляет приблизительно 10-4 Ом×см, что, согласно вышеприведенному критерию, позволяет считать его проводником. Однако это не так. Аналогично, кристаллы арсенида галлия при введении хрома, железа или кислорода практически становятся изоляторами. Их удельное сопротивление увеличивается до 10 7 Ом×см, но по всем другим свойствам эти изолирующие кристаллы остаются полупроводниками.

Эти примеры показывают, что классификация веществ на основе различий в значениях их удельного сопротивления является чисто условной, хотя, с точки зрения использования материалов в электротехнике и электронике, оправдана их практической значимостью. Особенно трудно отличить полупроводники от металлов.

Кенигсбергер первым указал на то, что по сравнению с металлами полупроводники отличаются не столько размерами, сколько характером температурной зависимости проводимости. В своем первом обзоре свойств полупроводников, опубликованном еще в 1914 году, Кенигсберг ввел понятие «класс полупроводников»: мы будем называть полупроводниками проводники с проводимостью металла, сопротивление которых значительно изменяется с температурой. Количественно он предположил, что температурная зависимость проводимости может быть описана соотношением

где s — проводимость, T — температура, измеренная в Кельвинах (T = 273 + T[ o C] ), Q — удельная постоянная для каждого полупроводникового вещества.

В металлах с ростом температуры r увеличивается пропорционально абсолютной температуре T, т.е.

где го — удельное сопротивление металла при Т =0 °С; а — температурный коэффициент сопротивления, равный 1/273. Температурная зависимость удельного сопротивления металла и полупроводника показана на рис. В-3 в качественном сравнительном виде. В широком диапазоне температур поведение удельного сопротивления материалов имеет более сложную зависимость.T
Рис. B-3. Сравнительная температурная зависимость удельного сопротивления металла (Rm) и полупроводника (Rp).

В общем случае для несверхпроводящих металлов существует область 1 — область остаточного удельного сопротивления, почти не зависящая от температуры, при низких температурах из-за наличия примесей (рис. B-4). Чем ниже чистота металла, тем ниже удельное сопротивление. Быстрое увеличение удельного сопротивления при низких температурах до температуры Дебая θd можно объяснить возбуждением новых тепловых колебательных частот решетки, на которых рассеиваются носители заряда — область 2. При T > θd, когда колебательный спектр полностью возбужден, увеличение амплитуды колебаний с ростом температуры приводит к линейному увеличению удельного сопротивления примерно до Tpl — область 3. Когда периодичность структуры нарушается, электрон испытывает диссипацию, что приводит к изменению направления, конечным свободным путям и проводимости металла. Энергия электронов проводимости в металлах составляет 3-15 эВ, что соответствует длине волны 3-7 Å. Поэтому любое нарушение периодичности, вызванное примесями, дефектами, поверхностью кристалла или тепловыми колебаниями атомов (фононами), приводит к увеличению удельного сопротивления металла.

Рисунок B-4: Температурная зависимость удельного сопротивления металла.

Типичная температурная зависимость удельного сопротивления некоторых металлов и полупроводников показана на рисунке B-5.

Рисунок B-5: Абсолютная температурная зависимость проводимости некоторых веществ. Металлы: 1 — медь, 2 — свинец (ниже 7,3 К становится сверхпроводником); полупроводники: 3 — графит, 4 — чистый германий, 5 — чистый кремний; ионные проводники: 6 — хлорид натрия, 7 — стекло.

На основании соотношения (B.1) можно утверждать, что температурный удельный коэффициент проводимости, определяемый соотношением

для полупроводников является положительным, а для металлов — отрицательным. Однако знак коэффициента температурной удельной проводимости не всегда указывает на принадлежность вещества к классу полупроводников.

В соответствии с типом носителей заряда полупроводники делятся на ионные и электронные полупроводники. В ионных полупроводниках носителями заряда являются ионы решетки, а в электронных полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки. Типичным представителем ионных полупроводников являются некоторые оксидные стекла. Прохождение тока через такие полупроводники сопровождается переносом вещества. Согласно современным представлениям, класс электронных полупроводников включает кристаллические материалы со следующими свойствами:

Удельное сопротивление — значение и температурная зависимость:

— удельное сопротивление лежит в диапазоне от 10 -4 до 10 10 Ом×см;

— в собственном полупроводнике (чистом, без примесей) проводимость растет экспоненциально с температурой;

— в полупроводнике с примесями проводимость сильно зависит от концентрации примесей. В сильно легированных полупроводниках проводимость очень мало зависит от температуры — как и в металлах;

— По сравнению с металлами, полупроводники имеют более высокие значения тепловой ЭДС.

С точки зрения реакции на свет или радиационное облучение:

— Полупроводники чувствительны к свету; характерным для полупроводников является появление фотодрейфов или изменение сопротивления при освещении;

— проводимость увеличивается при облучении полупроводника светом или высокоэнергетическими электронами.

В ответ на внешнее электрическое поле или градиент концентрации:

— В зависимости от природы легирующего элемента, заряд может переноситься либо электронами, либо так называемыми положительно заряженными «дырками»;

— В электрическом поле дырка движется так же, как позитрон, но в других отношениях этой аналогии не существует;

— Проводимость увеличивается, когда носители заряда инжектируются из подходящего металлического контакта или из области противоположного легирования.

Следовательно, полупроводниками являются те материалы, которые при комнатной температуре имеют удельное сопротивление в диапазоне от 10 10 до 10 -4 Ом см, сильно зависящее от структуры вещества, типа и количества примесей и внешних условий: температуры, освещения, облучения ядерными частицами, электрических и магнитных полей.

Электронные полупроводники включают в себя множество веществ:

1) чистые элементы: B, C, Si, P, As, Sb, Se, Te, I…;

2) соединения типа a I B YI (CuO, Cu2O, CuS …), где подстрочные индексы обозначают группу элемента в периодической таблице Менделеева;

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

4) соединения a I B IY (ZnS, CdS, ZnO … );

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

6) соединяет a Y I B YI (SiC….);

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

8) большинство минералов;

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

Полупроводниковые свойства проявляются также в ферритах, сегнетоэлектриках и пьезоэлектриках, твердых растворах полупроводников и других более сложных соединениях.

Полупроводниковые свойства присущи не только твердым телам. Существуют также жидкие полупроводники. Однако из-за процессов атомной диффузии области с различным уровнем легирования в таких полупроводниках быстро смешиваются, поэтому невозможно создать стабильные устройства с неоднородным составом. В последнее время большое внимание привлекают стеклообразные и аморфные полупроводники, которые могут найти применение в технике в качестве быстрых переключателей, если их элементный состав, структура и другие характеристики воспроизводимы.

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

Твердые полупроводниковые материалы будут предметом данного курса лекций.

Полупроводниковые материалы обладают проводимостью, которой можно управлять, изменяя напряжение, температуру, свет и другие факторы. Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по своей способности проводить электричество. Способность проводить электричество характеризуется электрическим сопротивлением или удельная электропроводность . Диапазон значений удельного сопротивления для проводников при комнатной температуре составляет от 1,6-10 -8 до 1-10 -6 Ом-м. Для низкочастотных изоляционных материалов удельное сопротивление варьируется от 10 6 . 10 8 — 10 14 … 10 16 Ом-м. Удельное электрическое сопротивление для полупроводников составляет 10 -6 …10 9 Ом-м. Эти границы произвольны и перекрываются в определенном диапазоне. Это связано со специфическими характеристиками этих групп материалов.

Одной из характеристик полупроводниковых материалов является их поведение при изменении температуры. Проводимость проводящих материалов увеличивается при температурах, приближающихся к нулю увеличивается и при переходе в сверхпроводящее состояние достигает бесконечно больших значений (рис. 4.1). В отличие от проводников, электропроводность полупроводников уменьшается с понижением их температуры, а когда их температура приближается к O K, полупроводники перестают проводить электричество и переходят в состояние диэлектрика. С повышением температуры электропроводность полупроводников быстро увеличивается.

Рисунок 4.1: Температурная зависимость проводимости металлов (1) и полупроводников (2).

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

Поведение полупроводника также зависит от его внутренней структуры. В проводящих материалах проводимость связана с возникновением свободных зарядов, что обусловлено изменениями температуры и внутренней структуры проводника. Для образования свободных носителей заряда в полупроводниковом материале требуется внешняя энергия (тепло, механические напряжения, облучение ядерными частицами, электрические и магнитные поля и т.д.). Если носители заряда появились под действием тепла, мы называем их равновесными носителями заряда. Если полупроводник подвергается воздействию других энергий, образуются дополнительные неравновесные носители заряда.

Электропроводность полупроводника резко меняется, когда в него вводится даже небольшое количество примесных атомов. Это также зависит не только от суммы, но и от типа иностранного элемента. Например, при введении 0,001% мышьяка в химически чистый германий его проводимость увеличивается в 10 000 раз.

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

Дата добавления: 2015-12-29 ; впечатления: 1453 ; ПИСЬМЕННЫЙ ЗАКАЗ

Полупроводники — это вещества, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Характерной особенностью полупроводников является сильная зависимость их электропроводности от температуры, концентрации примесей, воздействия света и ионизирующего излучения.

Только движущиеся носители заряда могут создавать электрический ток. Поэтому, чем выше электропроводность вещества, тем больше подвижных носителей заряда содержится в единице объема этого вещества. В металлах практически все валентные электроны (носители элементарного отрицательного заряда) свободны, что обуславливает их высокую электропроводность. Например, удельное сопротивление меди составляет r=0,017×10 -6 Ом×м. В диэлектриках и полупроводниках гораздо меньше свободных носителей, поэтому их удельное сопротивление велико. Например, для диэлектрического полиэтилена

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

Характерной особенностью полупроводников является ярко выраженная температурная зависимость их удельного сопротивления. Как правило, оно уменьшается с повышением температуры на 5. 6% на градус, тогда как металлы увеличивают свое удельное сопротивление с повышением температуры на доли процента на градус. Удельное сопротивление полупроводника также быстро уменьшается при введении в него небольшого количества примесей.

Большинство используемых сегодня полупроводников относятся к кристаллическим телам, атомы которых образуют пространственную решетку. Взаимное притяжение атомов в кристаллической решетке обусловлено ковалентной связью, то есть общей парой валентных электронов, вращающихся на одной и той же орбите вокруг этих атомов. Согласно принципу Паули, только два электрона с разными спинами могут иметь общую орбиталь, поэтому число ковалентных связей атома определяется его валентностью.

Каждая орбиталь соответствует различной энергии электрона. Электрон в атоме имеет только определенные, вполне определенные значения энергии, представляющие собой набор дискретных энергетических уровней атома.

Во время формирования кристаллической решетки происходят сильные взаимодействия между атомами, приводящие к расщеплению энергетических уровней, занимаемых электронами атомов (рис. 1.1). Сумма этих уровней называется энергетической полосой. Число подуровней в каждой зоне определяется числом взаимодействующих атомов.

Разрешенные энергетические зоны 1, 3 отделены друг от друга запрещенной зоной 2. Запрещенная зона соединяет энергетические уровни, которые электроны атомов вещества не могут принять. Поскольку ширина полосы в твердом теле не превышает нескольких электрон-вольт (эВ), а число атомов в 1 см3 достигает 10 22, разница между уровнями составляет 10 -22 эВ. Таким образом, в пределах разрешенной зоны существует почти непрерывный спектр энергетических уровней.

Верхняя разрешенная зона, в которой при абсолютном нуле температуры заняты все энергетические уровни, называется заполненной или валентной зоной (на рисунке 1.1 это зона 3). Полосатая зона, в которой нет электронов при T = 0° K, называется свободной зоной (на рис. 1.1. это зона 1).

Ширина запрещенной зоны (зона 2 на рис. 1.1) является важным параметром, определяющим свойства твердого тела. Вещества, в которых ширина полосовой щели DW составляет £ 3 эВ, являются полупроводниками, а в которых DW > 3 эВ — диэлектриками. Металлы не имеют полосовой щели.

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

кремний (DW = 1,12 эВ) — элементы IV группы периодической таблицы. Кристаллическая решетка этих элементов изображена в плоскости, как на рис. 1.2, а. Здесь

Рисунок 1.1: Энергетическая диаграмма кристалла при T=0° K.

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

При комнатной температуре некоторые электроны приобретают достаточно энергии, чтобы разорвать ковалентную связь (Рисунок 1.2, a). При разрыве ковалентной связи в валентной зоне появляется уровень свободной энергии (рис. 1.2, b). Отход электрона от ковалентной связи сопровождается появлением единичного положительного заряда, называемого дыркой, и свободного электрона в системе из двух электрически связанных атомов.

Рисунок 1.2: Условное обозначение кристаллической решетки (a) и энергетическая диаграмма (b) искропроводящего полупроводника.

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

1.2, b), на который может переместиться электрон из соседней ковалентной связи. Это движение заполнит первоначальный уровень свободной энергии, но появится другой уровень свободной энергии. Другими словами, заполнение дырки электроном из соседней ковалентной связи можно рассматривать как смещение дырки. Поэтому дырку можно рассматривать как подвижный, свободный носитель элементарного положительного заряда. Процесс образования электронно-дырочной пары называется генерацией свободных носителей заряда. Очевидно, что чем выше температура и чем меньше полосовая щель, тем больше число этих носителей. Одновременно с процессом генерации происходит рекомбинация носителей, во время которой электрон восстанавливает ковалентную связь. Благодаря процессам генерации и рекомбинации носителей при заданной температуре устанавливается определенная концентрация электронов в зоне проводимости ni и равная концентрация дырок pi в валентной зоне. Из курса физики известно, что

(1.1)

где Wf — уровень Ферми, который соответствует уровню энергии с формальной вероятностью заселения, равной 0. 5 (формально, поскольку уровень Ферми находится в запрещенной зоне и в действительности не может быть занят электронами; кривая распада Ферми-Дирака, характеризующая вероятность нахождения электрона на том или ином энергетическом уровне, всегда симметрична относительно уровня Ферми); энергия, соответствующая «дну» зоны проводимости; WB — энергия, соответствующая «потолку» валентной зоны; Ap, Ar — коэффициенты пропорциональности; k — постоянная Больцмана, равная 1,37×10-23 Дж/град; T — абсолютная температура, К. В химически чистых полупроводниках уровень Ферми совпадает с центром запрещенной зоны Wi, а также Ap = Ar = A. Поэтому мы можем написать :

. (1.2)

Из выражения (1.2) следует, что в чистом полупроводнике концентрация носителей заряда зависит от ширины полосовой щели и увеличивается с ростом температуры примерно по экспоненциальному закону (температурные изменения A играют незначительную роль). (Рисунок 1.3) Равенство концентраций ni и pi показывает, что такой полупроводник имеет равную электронную и дырочную электропроводность и называется полупроводником с Рис. 1.3 Концентрационная зависимость собственной проводимости.

носителей в зависимости от температуры.

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

Оцените статью
Добавить комментарий