Физические основы полупроводниковой электроники.
В основе - физика твердого тела, т.е. теория устройства и порядка в мире атомов. Зонная теория строения атома и взаимодействие атомов в составе кристаллических решеток твердых тел использует множество понятий квантовой физики:
1. Энергия взаимодействия измеряется в электрон-вольтах (внесистемные единицы) 1эВ – энергия, приобретаемая электроном при перемещении в электрическом поле между двумя точками с разностью потенциалов в 1В, т.е. 1эВ=1,602·19·10-19 Дж
2. Масса электрона 9·10-31 кг (может меняться под влиянием периодического электрического поля кристаллической решетки)
3. Магнитный момент = 9,3·10-24А/м2
4. Заряд электрона 1,60... ·10-19А·с
5. Спин h=h/2, где h=6,6… ·10-34Вт·с2.
6. Квантованность уровней энергии и ограниченность числа электронов на одном уровне - не более двух с разными спинами.
7. Целое число волн Де-Бройля на каждой орбите и т.д.
В курсе «ЭРЭиМ», а еще раньше в курсе «Физики» рассматривались физические основы материалов 3 разных групп твердых веществ, различающихся по способности проводить электрический ток. Это основа классификации.
Для группы полупроводников (п/п) зона проводимости (зп) отделена от зоны валентной (вз) запрещенной зоной (зз) шириной dЭ < 3эВ (Рис 2.4.1).
Рис 2.4.1 Отделение валентной зоны (вз) от зоны проводимости (зп)
Эти представления нужны не только для классификации, но и для понимания свойств п/п при изменении количества примесей и изменении внешних воздействий. Главное физическое свойство – электропроводность п/п обусловлена движением электронов, попавших в свободную зону, и перемещением дырок в валентной зоне .
Вообще: Электрический ток (I) – направленное движение зарядов (дрейф- под действием эл. поля и диффузия – под влиянием разницы в концентрации). Плотность электрического тока (j) – количество зарядов, проходящих в единицу времени через единичное сечение проводящей среды. Если: q-элементарный заряд; l – длина участка проводника, который заряд прошел за время dt; s – площадь поперечного сечения проводника (Рис 2.4.2); n – количество носителей заряда в объеме , обеспечивающих прохождение электрического тока; – скорость направленного движения носителей заряда (путь за время dt) то:
,
,
где - концентрация носителей.
Рис 2.4.2 Участок проводника
Свобода перемещения электрона в твердом теле характеризуется подвижностью электрического заряда:
,
т.е. скоростью непрерывного движения носителей заряда в поле единичной напряженности. Отсюда: в твердом теле скорость v движения электронов пропорциональна напряженности Е, a – коэффициент пропорциональности
,
тогда
.
Приняв, что – удельная проводимость, получаем закон Ома в дифференциальной форме для дрейфового тока:
[Ом м] – удельное сопротивление, для п/п 10-5 < <108 ом м.
Различие удельного сопротивления проводников, полупроводников и диэлектриков объясняет зонная модель твердого тела (Рис 2.4.4).
Энергетическая диаграмма дрейфа электрона в электрическом поле E (Рис 2.4.3): смещение вниз – потеря энергии, смещение вверх – увеличение энергии; смещение по горизонтали – дрейф в зоне проводимости – диффузия в валентной зоне из-за разницы в концентрации.
Рис 2.4.3. Энергетическая диаграмма дрейфа электрона.
Рис. 2.4.4 Зонная модель твердого тела (ЗП – зона проводимости, ВЗ – валентная зона, ЗЗ – запретная зона)
Наличие 33 ограничивает количество заполненных и не заполненных носителей заряда, способных обеспечить электрический ток. В проводниках влияние оказывает , т.е. . Для п/п все определяет концентрация п , т.к. атомы решетки своими колебаниями не могут существенно увеличить , которое и так большое. Природа электропроводности чистых (собственных) п/п и примесных п/п разная. Большую роль играет процесс диффузии носителей заряда в пространстве от участка с высокой концентрации в сторону меньшей концентрации, т.е. диффузионный ток.
Зависимость концентрации (n) носителей заряда в примесных п/п от температуры и P от 1\ N показаны на Рис. 2.4.5:
1. при малых Т происходит ионизация примесных атомов(примесная электропроводимость)
2. при Тn все атомы ионизированы, началось истощение, при Тс собственных зарядов еще мало, а с примесных уровней все заряды ушли.
3. выше Тс – температуры собственной электропроводности.
Рис. 2.4.5 Зависимость концентрации носителей заряда в примесных п/п от температуры
Диапазон от Тс до Тп - рабочий интервал температур для активных элементов (р-n
переходов). Если , то , значит для широкозонных материалов больший диапазон рабочих температур. С ростом температуры удельное сопротивление п/п уменьшается, если судить по концентрации n. Как говорилось выше , но если на участке 2,то как ведет себя ? . Существует 2 типа рассеяния:
1. на колебаниях узлов решетки;
2. в поле ионизированных примесей.
Для 1 случая амплитуда колебаний узлов ! рассеяние. Для 2 случая меньше времени носитель находится в поле ионизированных примесей. Общая зависимость определяется как через , так и через (Рис. 2.4.5).
Рис. 2.4.5 Зависимость подвижности от температуры
Итак, классификация полупроводниковых материалов – на рис.2.4.6, а дополнительные сведения о характере токов в полупроводниках – в тексте,завершающем тему.
Рис. 2.4.6
Плотности токов:
Дрейфовый:
.
Диффузный:
,
где – градиент концентрации;
,
отсюда полные плотности электронного и дырочного токов
,
.
В более широком диапазоне температур у п/п проявляется возрастание проводимости с ростом t, что существенно отличает их от проводников. Возможна лавина для равновесной концентрации при термической генерации и термодинамическом равновесии с окружающей средой. В п/п есть процессы: появления неравновесных носителей (НН) зарядов за счет облучения светом или радиацией – генерация исчезновения носителей – рекомбинация. При отключении внешнего источника не сразу исчезают НН, а через время жизни τ. НН могут при этом двигаться в электрическом поле за счет дрейфа или за счет диффузии.
Дрейфовый ток . Диффузный ток , где Dn - коэффициент диффузии, которая всегда идет из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией, Dn показывает, насколько свободно могут двигаться носители в твердом теле при наличии gradn
,
отсюда Dn и – одно и то же ( - соотношение Эйнштейна).
Путь пройденный носителем за время жизни называется диффузионной длинной (концентрация носителей снижается в е=2,7 раза)
Диффузный ток возникает также в месте контакта п/п с различными типами
проводимости, например в р-n переходе. Из-за неравномерного распределения
концентрации НН возникает диффузия, а из-за нее создается на переходе напряженность электрического поля. Возникает дрейфовый ток , встречный для дырок p и электронов n, которые рекомбинируют в динамическом равновесии. Электрическая нейтральность p-n перехода обусловлена
,
где - ширина перехода по направлению x.
Дата добавления: 2020-10-14; просмотров: 96;