Материал: Презентация лекции ФОМиНЭ 2
Физические основы микро- и наноэлектроники
1
Физические основы микро- и наноэлектроники
Раздел 2.
Физические основы элементной базы полупроводниковой электроники
1.Энергетические диаграммы. Заполнение зон электронами и электрические свойства твердых тел. Понятие о дырках. Примесные уровни в полупроводниках
2.Статистика электронов в полупроводниках. Собственные и примесные полупроводники. Статистика носителей заряда в собственных полупроводниках
3.Статистика электронов в примесных полупроводниках -типа. Статистика дырок в примесных полупроводниках -типа
4.Концентрации основных и неосновных носителей. Вырожденные полупроводники. Неравновесные носители заряда в полупроводниках
5.Электропроводность полупроводников. Проводимость и подвижность носителей. Зависимость подвижности носителей заряда от температуры. Собственная и примесная проводимость полупроводников
6.Фотопроводимость полупроводников. Эффект поля. Эффект Ганна. Эффект Холла
2
Раздел 2.
Физические основы элементной базы полупроводниковой электроники
Энергетические диаграммы. Заполнение зон электронами и электрические свойства твердых тел
Каждая энергетическая зона содержит ограниченное число энергетических уровней. В соответствии с принципом Паули на каждом уровне может разместиться не более двух электронов. При ограниченном числе электронов, содержащихся в твердом теле, заполненными окажутся лишь несколько наиболее низких энергетических зон.
По характеру заполнения зон электронами все тела можно разделить на две большие группы.
Тела, у которых над целиком заполненными зонами располагается зона, заполненная лишь частично.
–Такая зона возникает в том случае, когда атомный уровень, из которого она образуется, заполнен в атоме лишь частично. Типичным примером этому могут служить щелочные металлы. У натрия, например, имеющего электронную конфигурацию на уровне 3 находится один электрон, в то время как для заполнения этого уровня необходимо два электрона. Поэтому зона 3, образующаяся из уровня 3, оказывается заполненной лишь наполовину.
–Частично заполненная зона может возникать и вследствие наложения заполненных зон на пустые или частично заполненные зоны, как это имеет место у щелочно-земельных металлов.
Наличие зоны, заполненной электронами лишь частично, характерно для металлов.
Тела, у которых над целиком заполненными зонами располагаются пустые зоны. Типичным примером твердых тел с таким характером заполнения зон являются элементарные полупроводники IV группы таблицы Менделеева
– алмаз, кремний, германий.
Наличие целиком заполненных и целиком пустых зон характерно для диэлектриков и
полупроводников. |
3 |
|
Раздел 2.
Физические основы элементной базы полупроводниковой электроники
Понятие о дырках
Модель фрагмента кристалла кремния.
Из таких фрагментов, представляющих собой треугольную пирамиду, в вершинах которой находятся атомы кремния, и еще один атом находится внутри, складывается весь кристалл.
На внешней оболочке атомов германия и кремния находятся четыре валентных электрона, которые при образовании кристалла участвуют в ковалентных связях вместе с электронами соседних атомов кристаллической решетки. При абсолютном нуле эти материалы являются диэлектриками, так как свободных электронов в кремнии и германии (как и в других полупроводниках) при этой температуре нет.
При сравнительно невысокой температуре ковалентные связи в Si и Ge могут разрываться. При этом электроны, участвующие в химической связи (находящиеся в валентной зоне), становятся свободными (переходят в зону проводимости), и полупроводники становятся способными проводить электрический ток.
При переходе электрона в зону проводимости в валентной зоне возникает незаполненное состояние, а в кристаллической решетке на месте, где был электрон, образуется разорванная химическая связь и избыток положительного заряда, равный по величине заряду электрона. На освобожденное электроном в химической связи место переместится, например, от соседнего атома, другой электрон, тогда положительный заряд переместится на его место. Валентные электроны будут перескакивать под действием электрического поля от узла к узлу, восстанавливая существующие разорванные химические связи и образуя новые разорванные связи. Разорванные связи будут перемещаться в обратную сторону. При этом будет происходить перенос заряда, осуществляемый коллективным движением совокупности валентных электронов. Для описания этого коллективного движения в электрическом поле ввели понятие положительно заряженной частицы – дырки, заряд которой равен заряду электрона, а движение ее совпадает с движением разорванной химической связи. Таким образом, движение дырок – это есть коллективное движение валентных электронов.
4
Раздел 2.
Физические основы элементной базы полупроводниковой электроники
Примесные уровни в полупроводниках
Если некоторые атомы данного полупроводника заменить в узлах кристаллической решетки атомами, валентность которых отличается от валентности основных атомов, возникает
примесная проводимость.
Внесем в кристалл кремния атом бора ( ). Бор является элементом третьей группы и имеет три внешних (валентных) электрона. Так как кремний имеет четыре валентных электрона, атому бора одного электрона не хватает для образования ковалентной связи. При этом концентрация дырок, обычно (в полупроводниковых приборах) практически равная концентрации атомов примеси,
превышает концентрацию свободных электронов :
p nпримесных n ni атомов
Такая примесь, атому которой не хватает электронов для образования всех химических связей, называется акцепторной примесью. Полупроводник в этом случае
называется полупроводником -типа.
Основными носителями заряда в таком полупроводнике являются дырки.
Акцепторные примеси приводят к появлению в запрещенной зоне |
|
|
разрешенных примесных энергетических уровней, называемых |
|
|
акцепторными уровнями. Энергия – энергия ионизации |
|
|
|
|
|
акцепторной примеси – это энергия, необходимая электрону, чтобы |
|
|
разорвать связь между атомами полупроводника и образовать связь |
|
|
между атомом примеси и атомом полупроводника (перейти из валентной |
5 |
|
зоны на примесный уровень акцепторной примеси). |
||
|