Лекции по твердотельной электронике - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
Московский энергетический институт
(технический университет)
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Конспект лекций
Москва, 2002 г.
Содержание
Лекция 1 4
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 4
1.1. Электропроводность полупроводников 4
Лекция 2 9
1.2. Электроны в кристалле 9
1.2.1. Энергетические зоны. Свободные носители зарядов: электроны и
дырки. 9
1.2.3. Легирование кристаллов донорной или акцепторной примесью,
полупроводники "n" и "p" типа . 22
Лекция 3 27
1.2.4. Расчет концентрации носителей заряда в кристалле. 27
Лекция 4 39
1.2.5. Зависимость скорости электрона от напряженности электрического
поля. Понятия эффективной массы и подвижности. 39
1.2.6. Расчет электропроводности полупроводниковых кристаллов на основе
рассмотренных моделей. 47
Лекция 5 55
1.2.7. Неравновесные электроны и дырки. Рекомбинация неравновесных
носителей заряда. 55
Диффузионный и дрейфовый токи. 58
1.2.8. Уравнение непрерывности. 60
ВВЕДЕНИЕ
Современная научно-техническая революция и переход от
индустриального к информационному обществу в значительной степени
обусловлены повышением производительности интеллектуального труда за
счет информационных технологий, материальную основу которых составляют
твердотельные полупроводниковые приборы и устройства на их основе.
Полупроводниковые приборы широко используются и в силовой электронике
предоставляя эффективные способы преобразования и генерации
электроэнергетических потоков. Поэтому курс полупроводниковой
электроники стал одним из базовых курсов практически для всех
специальностей электротехнического профиля и начинает изучаться
сравнительно рано - на втором курсе. При этом имеется тенденция к его
дальнейшему "омоложению" - к более раннему изучению разделов, связанных
непосредственно с физикой электронных процессов в твердом теле, что
предъявляет особые требования к доступности изложения сравнительно
сложных электронных взаимодействий, позволяющих осуществлять управление
электронными потоками в твердых телах и создавать современные
устройства информационной и силовой электроники.
Основное содержание дисциплины составляет изучение принципов работы и
характеристик основных приборов, являющихся базовыми для любых
полупроводниковых приборов. Поскольку курс предназначен для подготовки
инженеров, рассмотрение любых процессов в приборе, заканчивается
составлением некоторой модели и выводом расчетных соотношений. Безусловно
использованные модели являются упрощенными, однако тем не менее они
позволяют связать параметры материалов и конструкции прибора с его
характеристиками и позволяют оценить реакцию прибора на то или иное
воздействие окружающей среды и, что особенно важно, способствуют
установлению связи между разрозненными процессами и их свойствами и
созданию некоторого обобщенного образа твердотельной электронной среды и
сформированных на ее основе устройств. Именно последнее является наиболее
важной и наиболее трудной задачей курса достижению которой способствует
лабораторный практикум и расчетный проект.
Лекция 1
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 ? > 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 ? < 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. Именно изучение
этих приборов и используемых в них методов управления электронными
потоками и составляет основное содержание данного курса.
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 .
[pic], (1.1)
где T и T0 – температуры измерения (T > T0), ? – температурный коэффициент.
В полупроводниках, в которых отсутствуют дефекты и примеси (их принято
называть собственными) с ростом температуры проводимость растет примерно по
экспоненциальному закону:
[pic] (1.2)
где ?0 – некоторая слабо изменяющаяся величина (часто ее
температурной зависимостью пренебрегают), ?E – 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:
[pic] (1.3)
[pic]
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 ?E, 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.
На следующем рисунке показана зависимость электропроводности собственного
кремния от температуры при освещении его солнечным светом, подтверждающая
сильное влияние внешних воздействий на свойства полупроводников.
[pic]
Рис. 1.2. Влияние освещения на температурную зависимость
электропроводности: 1 – зависимость измеренная в темное,
2 – на свету.
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 ? = 1/?
от концентрации примеси. Из графика видно, что путем введения
примеси проводимость полупроводника действительно можно изменять
вплоть до проводимости близкой к металлической ? ? 104 (? ? 10-4).
[pic]
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.
Легирование влияет не только на величину электропроводности, но и
на ее температурную зависимость, что демонстрируют кривые,
приведенные на рис. 3.4. Как видно из графиков в области высоких
температур электропроводность легированного материала стремится к
электропроводности нелегированного. В области низких температур
проводимость изменяется незначительно, имея слабо выраженный
максимум. Для сильно легированных кристаллов проводимость изменяется
с температурой подобно проводимости металлов.
[pic]
Рис. 1.4. Температурная зависимость электропроводности легированных
кристаллов, степень легирования в см-3 проставлена около соответствующих
кривых, пунктирная линия соответствует нелегированному материалу.
Поскольку для создания полупроводниковых приборов с заданными
характеристиками необходимо объяснить наблюдаемые особенности
полупроводниковых материалов, научиться ими управлять и заранее
прогнозировать поведение материала в тех или иных условиях, то
необходимо создать модель описывающую процессы электропроводности
полупроводников. Эта модель в первом приближении должна объяснять:
. экспоненциальный рост проводимости с температурой для нелегированных
материалов;
. изменение проводимости и ее температурной зависимости при легировании
полупроводников;
. изменение проводимости и ее температурной зависимости при облучении
полупроводников светом, бомбардировке высокоэнергетическими частицами
и т.п.
По определению электропроводность характеризует изменение
протекающего через образец тока при изменении приложенного к нему
напряжения. В свою очередь величина электрического тока
характеризуется количеством заряда переносимого через поверхность в
единицу времени, т.е. для его характеристики необходимо знать
концентрацию и скорость способных перемещаться зарядов. Таким образом
приступая к изучению твердотельной электроники прежде всего
необходимо рассмотреть процессы, которые приводят к появлению в
однородном образце свободных носителей заряда и то как внешнее
электрическое поле влияет на скорость их перемещения.
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?
Лекция 2
1.2. Электроны в кристалле
1.2.1. Энергетические зоны. Свободные носители зарядов: электроны и дырки.
Известно, что первичными и единственными носителями заряда являются
электроны и протоны. В вакууме и газах электроны и протоны могут быть
свободными, в твердых телах и жидкостях электроны и протоны связаны с
атомами и их заряды нейтрализуют друг друга.
Полупроводниковые кристаллы образуются из атомов, расположенных в
определенном порядке. Естественно возникает вопрос, если в атоме
электроны связаны с ядром, то откуда в состоящем из атомов кристалле
берутся свободные заряды, способные перемещаться по кристаллу
создавая электрический ток. Действительно, если представить атом как
изолированный шарик, то тело полученное из миллиардов уложенных в
правильном порядке шариков все равно останется изолятором, поскольку
в нем способные переносить заряд не появятся. Для того, чтобы
объяснить как в металлах и полупроводниках появляются свободные
электроны необходимо использовать закономерности микромира. Впервые
эти закономерности были использованы Бором для объяснения электронной
структуры атома. Работы бора стимулировали работы по квантовой
механике, которая в настоящее время используется для объяснения
поведения электронов в атомах, молекулах и твердых телах.
Согласно современным представлениям атомы состоят из положительно
заряженных ядер вокруг которых распложены заполненные электронами
оболочки. При этом каждому электрону соответствует строго
определенный уровень, на котором не может находиться более двух
электронов с разными значениями спина, характеризующего вращение
электрона. В магнитном поле этот уровень расщепляется на два близко
расположенных уровня.
Согласно законам квантовой механики, электроны могут находиться
только в строго определенных энергетических состояниях. Изменение
энергии электрона возможно при поглощении или испускании кванта
электромагнитного излучения с энергией, равной разности значений
энергий на начальном и конечном уровне. Поэтому оптические спектры
поглощения (или излучения) атомов, соответствующие электронным
переходам на свободные дискретные уровни, так же должны быть
дискретны, что и наблюдается в экспериментах (рис. 1.5.)
[pic]
Рис. 1.5. Диаграмма, иллюстрирующая энергетический спектр электронов в
атоме (модель Бора) и ожидаемый спектр поглощения.
Электронные оболочки принято обозначать буквами и числами (N).
Число N называют главным квантовым. Отсчет его значения
осуществляется от уровня, ближайшей к ядру N = 1, 2, 3, 4 и т.д.,
оболочки имеют соответствующие буквенные обозначения: K, L, M, N, и
т.д.
На каждой оболочке может находиться несколько электронов, причем
каждому из них соответствует свой энергетический уровень, со своим
пространственным распределением заряда, который часто называют
орбиталью. Энергетические уровни электронов (орбитали) внутри
оболочки (с одним числом N) принято обозначать буквами: s (нижний
уровень), p, d, f и т.д. Причем чем выше энергия оболочки (больше N),
тем большее число электронов может на ней находиться, или другими
словами ей соответствует большее число орбиталей. Так первой оболочке
соответствует один уровень - орбиталь 1s, т.е. на этой оболочке могут
находиться только два электрона с разными спинами. Соответственно
конфигурацию с одной оболочкой имеют только два атома – водорода и
гелия.
Второй оболочке соответствуют три уровня: одна орбиталь 2s и
три орбитали 2p, т.е. в этой оболочке могут находиться шесть
электронов.
Третей оболочке соответствуют девять уровней: одна орбиталь 3s,
три орбитали 3p, пять орбиталей 3d, т.е. в этой оболочке могут
находиться до 18 электронов.
При увеличении числа электронов в атоме, заполнение оболочек
происходит по определенным правилам:
. первыми заполняются низшие по энергии орбитали ;
. на любой орбитали может находиться не более двух электронов
с противоположными значениями спина (принцип запрета
Паули);
. заполнение орбиталей одной оболочки начинается одиночными
электронами с параллельными спинами, пары начинают
образовываться только после того как каждая орбиталь имеет
по одному электрону (правило Гунда).
Именно на основе правил заполнения оболочек построена
периодическая таблица элементов Д.И. Менделеева. Один ряд таблицы
соответствует элементам, в которых происходит заполнение внешней
(валентной) оболочки, переход от одной ячейке к другой в пределах
ряда соответствует добавлению одного электрона.
При сближении двух атомов , например водорода, их орбитали
начинают перекрываться и возможно возникновение связи между ними.
Существует правило, согласно которому число орбиталей у молекулы
равно сумме чисел орбиталей у атомов, при этом взаимодействие атомов
приводит к тому, что уровни у молекулы расщепляются, при этом чем
меньше расстояние между атомами, тем сильнее это расщепление.
На рис. 1.6. показана схема расщепления уровней для пяти атомов
при уменьшении расстояния между ними. Как видно из графиков при
образовании между атомами связей валентные электроны формируют
разрешенные для электронов зоны, причем число состояний в этих зонах
тем больше, чем больше взаимодействующих атомов. В кристаллах число
атомов более чем 1022 см-3, примерно такое же количество уровней в
зонах. При этом расстояние между уровнями становится чрезвычайно
малым, что позволяет считать, что энергия в разрешенной зоне
изменяется непрерывно. Тогда электрон, попавший в незанятую зону
можно рассматривать как классический, считая, что под действием
электрического поля он набирает непрерывно энергию, а не квантами,
т.е. ведет себя как классическая частица.
[pic]
Рис. 1.6. Энергетическое расщепление 1s и 2s уровней для пяти атомов в
зависимости от расстояния между ними
При образовании кристаллов образуемые валентными электронами
зоны могут быть частично заполненными, свободными или полностью
заполненными электронами. При этом если между заполненными и
свободными состояниями запрещенная зона отсутствует, то материал
является проводником, если существует небольшая запрещенная зона, то
это полупроводник, если запрещенная зона большая и электроны за счет
тепловой энергии в нее не попадают, то это изолятор. Рисунок 1.7.
иллюстрирует возможные конфигурации зон.
Для проводников разрешенная зона частично заполнена электронами,
поэтому даже при приложении внешнего напряжения они способны набирать
энергию и перемещаться по кристаллу. Такая структура зон характерна
для металлов. Уровень F, разделяющий заполненную электронами и
незаполненную часть зоны называют уровнем Ферми. Формально его
определяют как уровень вероятность заполнения которого электронами
равна 1/2.
[pic]
Рис. 1.7. Возможная структура энергетических зон, создаваемых
валентными электронами в кристаллах
Для полупроводников и диэлектриков структура зон такова, что
нижняя разрешенная зона полностью заполнена валентными электронами,
поэтому ее называют валентной. Потолок валентной зоны обозначают Ev.
В ней электроны перемещаться под действием поля (и соответственно
набирать энергию) не могут, поскольку все энергетические уровни
заняты, а согласно принципу Паули электрон не может переходить с
занятого состояния на занятое. Поэтому электроны в полностью
заполненной валентной зоны не участвуют в создании
электропроводности. Верхняя зона в полупроводниках и диэлектриках в
отсутствии внешнего возбуждения свободна от электронов и если каким
либо образом туда забросить электрон, то под действием электрического
поля он может создавать электропроводность, поэтому эту зону называют
зоной проводимости. Дно зоны проводимости принято обозначать Ec.
Между зоной проводимости и валентной зоной находится запрещенная зона
Eg, в которой согласно законам квантовой механики электроны
находиться не могут (подобно тому как электроны в атоме не могут
иметь энергии не соответствующие энергиям электронных оболочек). Для
ширины запрещенной зоны можно записать:
Eg = Ec – Ev (1.4.)
В полупроводниках в отличие от изоляторов ширина запрещенной
зоны меньше, это сказывается в том что при нагреве материала в зону
проводимости полупроводника попадает за счет тепловой энергии
значительно больше электронов, чем в зону проводимости изолятора и
проводимость полупроводника может быть на несколько порядков выше чем
проводимость изолятора, однако граница между полупроводником и
изолятором условная.
Поскольку в отсутствии внешнего возбуждения валентная зона
полностью заполнена (вероятность нахождения электрона на Ev = 1),
зона проводимости полностью свободна (вероятность нахождения
электрона на Eс = 0), то формально уровень Ферми с вероятностью
заполнения Ѕ должен был бы находиться в запрещенной зоне. Расчеты
показывают, что действительно в беспримесных бездефектных
полупроводниках и диэлектриках (их принято называть собственными) он
лежит вблизи середины запрещенной зоны. Однако электроны там
находится не могут, поскольку там нет разрешенных энергетических
уровней.
[pic]
Рис. 1.7. Схематическое представление бездефектного кристалла кремния.
Основные элементарные полупроводники относятся к четвертой группе
таблицы Менделеева, они имеют на внешней оболочке 4 электрона.
Соответственно эти электроны находятся в S (1 электрон) и p (3
электрона). При образовании кристалла внешние электроны
взаимодействуют и образуются полностью заполненная оболочка с восьмью
электронами, как это показано на диаграмме рис. 1.7.
Элементы четвертой групп используют четыре электрона находящихся в s
и p орбиталях, но в разных электронных оболочках (N изменяется от 2
для С до 6 для Pb). При взаимодействии образуется гибридная sp3
орбиталь) в ее образовании участвует одна s орбиталь и 3p – орбитали).
Эта орбиталь состоит из гибридизированных четырех орбиталей каждая из
которых с учетом спина может принять четыре электрона и таким образом
образуется заполненная внешняя оболочка с восьмью электронами. При этом
атом может образовывать химические связи с четырьмя соседями, т.е.
является четырежды координированными. Все связи эквивалентны и образуют
тетраэдрическую решетку (тетраэдр – фигура с четырьмя одинаковыми
поверхностями). Схема образования гибридной sp3 орбитали показана на
рис. 1.8.
Тетраэдрическая структура свойственна кристаллам алмаза. Такие
известные полупроводники как Si и Ge имеют структуру типа алмаза, это
и понятно, поскольку у них внешние электроны находятся на sp3
орбиталях.[pic]
Рис. 1.8. Схема образования гибридной sp3 орбитали и соответственно
тетраэдрической структуры кристалла (типа алмаза).
На рис. 1.9 показана схема образования энергетических зон и sp3
орбиталей для кристаллов других элементов четвертой группы
периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Как видно из рисунка
все зоны формируются на основе s и p состояний, но принадлежащих к
разным оболочкам (различно значение главного квантового числа N). Так
для углерода валентная оболочка формируется из 2s и 2p состояний
соответственно структура алмаза определяется гибридными 2sp3
состояниями. Для Si валентная оболочка формируется из 3s и 3p
состояний атома Si, соответственно структура кристаллической решетки
создается 3sp3 орбиталями, является тетраэдрической и
|
