Содержание

1. Основные понятия физики полупроводниковых материалов 2

1.1. Электропроводность полупроводников 2

1.2. Электроны в кристалле 5

1.2.1. Энергетические зоны. Свободные носители зарядов: электроны и дырки. 5

1.2.3. Легирование кристаллов донорной или акцепторной примесью, полупроводники "n" и "p" типа . 11

1.2.4. Расчет концентрации носителей заряда в кристалле. 15

1.2.5. Зависимость скорости электрона от напряженности электрического поля. Понятия эффективной массы и подвижности. 21

1.2.6. Расчет электропроводности полупроводниковых кристаллов 22

1.2.7. Неравновесные электроны и дырки. Рекомбинация неравновесных носителей заряда. 26

Диффузионный и дрейфовый токи. 29

1. Основные понятия физики полупроводниковых материалов

1.1. Электропроводность полупроводников

По способности проводить электрический ток все твердотельные материалы принято делить на проводники, полупроводники и диэлектрики или изоляторы. К группе проводников относят материалы с проводимостью σ > 10⁶ Ом^-1см^-1, к ним относятся металлы, в которых высокая проводимость обеспечивается высокой концентрацией электронов проводимости. Напротив в диэлектриках, как правило при комнатной температуре электронов очень мало и их проводимость, в основном носит ионный характер, поэтому она мала σ < 10^-10 Ом^-1см^-1. В промежуточную группу попадают полупроводники, которые в зависимости от их состава и концентрации примесей могут иметь концентрацию электронов близкую к нулю (тогда они являются изоляторами) и близкую к концентрации электронов в металле (тогда они являются проводниками). Возможность изменять в широких пределах электропроводность не только технологическими методами, но и используя внешние воздействия, позволила создать на основе полупроводников твердотельные электронные приборы.

Металлы и полупроводники помимо величины электропроводности отличаются так же и зависимостью электропроводности от температуры. В металлах электропроводность с температурой, как правило, падает почти по линейному закону .

, (1.1)

где T и T₀ – температуры измерения (T > T₀), α – температурный коэффициент.

В полупроводниках, в которых отсутствуют дефекты и примеси (их принято называть собственными) с ростом температуры проводимость растет примерно по экспоненциальному закону:

(1.2)

где σ₀ – некоторая слабо изменяющаяся величина (часто ее температурной зависимостью пренебрегают), ΔE – энергия температурной активации проводимости (ее принято измерять в эВ), k – постоянная Больцмана (8.614210^-5 эВ^.К^-1), T - абсолютная температура (в градусах К). Если прологарифмировать (1.2), то получим:

(1.3)

Рис. 1.1. Зависимость электропроводности не легированных материалов от температуры

Из (1.3) видно - логарифм проводимости линейно зависит от 1/T, причем наклон прямой линии определяется величиной ΔE, поэтому для полупроводников графики электропроводности очень удобно строить откладывая по вертикальной оси проводимость в логарифмическом масштабе, а по горизонтальной оси величину пропорциональную обратной температуре (для удобства используют масштабный множитель 1000), см. рис. 1.1.

Изменение электропроводности может быть связано изменением концентрации носителей заряда и их скорости. Как показали эксперименты в большинстве случаев в полупроводниках основным фактором является изменение концентрации носителей заряда. Особенно сильно концентрация носителей заряда зависит от концентрации введенной примеси (обычно говорят от степени легирования). На рис. 1.3 показана измеренная на образцах кремния, легированных примесью фосфора или бора, зависимость удельного сопротивления кремния ρ = 1/σ от концентрации примеси. Из графика видно, что путем введения примеси проводимость полупроводника действительно можно изменять вплоть до проводимости близкой к металлической σ ≈ 10⁴ (ρ ≈ 10^-4).

Рис. 1.3. Влияние легирования на электропроводность кремния (пунктиром показана линейная зависимость).

Следует обратить внимание на тот факт, что при увеличении концентрации примеси на 9 порядков, проводимость образца возрастает на 8 порядков, т.е. существует почти линейная зависимость между проводимостью и концентрацией примеси.

Контрольные вопросы.

1. Каково соотношение значений проводимости для проводников, полупроводников и диэлектриков?

1. Каково соотношение значений удельного сопротивления для проводников, полупроводников и диэлектриков?

2. Как экспериментально определить к какому классу материалов относится образец: к полупроводникам или металлам?

3. По какому закону изменяется с температурой электропроводность чистых (собственных полупроводников)?

4. Как влияет введение примесей на величину и температурную зависимость электропроводности полупроводников?