Előadás: 8 - studopediya
8.1 Az elmélet a villamos vezetőképessége félvezetők
Az elektronok izolált atomok lehet csak szigorúan meghatározott energia értékeket, vagy azt mondják, hogy csak bizonyos (engedélyezett) teljesítmény szintek. Egy energia szintje egyidejűleg legfeljebb két elektron (ábra. 98,1), különböző mágneses momentuma (Pauli-elv).
Egy ilyen átmenet az úgynevezett gerjesztés egy elektron, és az atom egy elektron izgatott nevű. Ezt követően, a gerjesztett elektron vagy elhagyja atom, ami ionizációs az utóbbi, vagy csökkentjük, hogy kisebb üres energia szinten, hogy kiadja az energia egy foton az elektromágneses sugárzás.
Ábra 8.1. A sematikus atom modell
Az atomok bármilyen elektromosan semleges anyag. Ha egy elektromos mező a mennyiség, amelyek csak semleges részecskék, az elektromos áram nem folyik. Például a levegő - nincs elektromos áram halad, és egy szigetelő. Ugyanebben szigetelő térfogatú töltött semleges gáz atomjainak ezüst és a réz, arany, és a higany vagy más anyagok, amelyek tömör vezetőkhöz.
Sőt, attól függően, a kristályrács a szilárd, amelyben atomokat csatlakozott egy és ugyanazon anyagra, képezhetnek egy szigetelő vagy áramvezető, például karbon - grafit vagy gyémánt, ill.
Így, a vezetőképesség függ az anyag fajtája kötvények egyesítésének atomjai vannak szilárd állapotban kristályrácsban.
Ha Solid képződése megfigyelhető volt a Pauli-elv. Ezért, a megengedett energiaszintjeit atomot tartalmaznak a kristályosítási hasítjuk, amely egy nagy Földalatti szintek száma, amely eltér egymástól egy nagyon kis mennyiségű energiát. Az elektronok tartozó szomszédos atomok és alkotó kapcsolatot közöttük tartoznak a különböző sublevels, amelynek száma megegyezik a számú szomszédos kölcsönható atomok. Sublevels során energia zónában.
Vezetőképesség fennáll, ha az elektronok tudja mozgatni a zónában nem foglalt energiaszintet, amely az úgynevezett zóna szabad elektronok (ZSE), a gerjesztési réteg és vezetőképesség. Az elektronok kommunikációt biztosító atomok beépülnek a kristályrácsba alkotnak egy zóna vegyérték elektronok (ZVE). Ez a zóna van osztva egy zóna bandgap ingerületvezetési (PZ), amelyben nem elektronok. Szélessége függ kötési energiája DW. szükséges törés elektron kötések az atomok között a kristályrácsban létrehozása a szabad töltéshordozók (ábra. 8.2).
DW energiatartalom mért elektronvolt (eV) 1 eV 1,6 · 10 -19 J és az energia által megszerzett egy elektron, amikor mozog az elektromos mező két pont között a potenciális különbség egy voltos.
8.2 ábra. Energia sáv szerkezetét szilárd
A fémek, amelyek vezetékek, a kialakulását az egyes kristályrács atomot veszít vegyérték-elektron és átalakul egy pozitív töltésű ion. Az elektronok szabadon, megosztott, hogy az összes fém mennyisége és tudja mozgatni hatása alatt a külső elektromos mező. Az érték DW = 0. Ez magyarázza a magas elektromos és hővezető fémek.
A szigetelők összes vegyérték elektronok részt kristályrácsban képződését, és a szabad elektronok szinte. Jelentése DW> 4 eV.
Az elektromos vezetőképessége jó vezetők és szigetelők különböznek ugyanazzal a tényezővel (
Október 22-én), a mérete a Galaxy és 1 cm.
Félvezető kristály atomokból áll, amelyek mindegyike kapcsolatban van a szomszédos atomok elektronikus (kovalens) kötések.
Például, minden atom kölcsönhatásba lép a négy legközelebbi szomszédok és körül egy zárt pályán forog nyolc vegyérték elektronok (ábra. 8.3) a kristályrácsban szilícium Si.
Négyen tartozik egy adott atom, és a többi ő kölcsönzött a szomszédok a kristályrács. Minden alkalommal az elektronok tölteni, amelyhez tartoznak, és a másik része a szomszédos atomok. Ennek eredményeként, az átlagos negatív töltés az elektronok körül minden egyes atom megfelel a töltési négy elektronok, így az atomok elektromosan semleges.
Kristályszerkezet Ris.8.3
szilícium egy síkban
Az érték a tipikus félvezető DW tartományban van a néhány tized eV 2 - 3 eV.
Általában félvezető eszközök használják az elemek a negyedik csoport a periódusos rendszer: germánium (Ge), szilícium (Si), szelén (Se), stb
Saját úgynevezett félvezetők, amelyben a koncentráció a szabad töltéshordozók határozza meg a hőmérséklet és a benne rejlő energia értéke ennek félvezető kapcsolatot DW. Szennyeződések és kristályrács hibák hiányoznak.
Energia random hő a részecskék mozgását hajlamos megszakítják az elektronikus kommunikáció a félvezető atomok:
T - a hőmérséklet (K);
A - arányossági együttható (cm 3).
Megjegyzés tulajdonsága az exponenciális függés: növekvő DW 1,27-szor az átállás során a szilícium gallium-arzenid jár csökkent a valószínűsége az elektron-lyuk pár körülbelül 100.000-szer. Ugyanebben az időben, ez a valószínűség csökken a hőmérséklet csökkenése, például a szilícium-re 20 ° C-tól -78º C.
Process megjelenése hatására hőenergia a félvezető fonon mobil töltéshordozók (elektronok és lyukak) van termogeneratsiey hordozók. Felmerülő töltéshordozók mennek keresztül random hő mozgását elektronok és fárasztó az energia a ütközés az atomok rekombinálódnak (helyreállítási, Lat.) Az egyik lyuk (veszi a törött kovalens kötés).
Az elektromos vezetőképesség okozott a félvezetők termogeneratsiey töltéshordozók az úgynevezett természetes elektromos vezetőképesség.
A következő típusú elektromos áram változik félvezetők:
- sodródás aktuális - irányított mozgását a díjak egy elektromos mező (ábra 8,5, a.);
- diffúziós áram - diffúziója töltéshordozók az irányba, hogy alacsonyabb koncentrációjú (ábra 8,5, b.).
Ábra. 8,5 típusai áram félvezető: sodródás (a), diffúziós (b).
8.2 Szennyeződés félvezetők
Semiconductors elektron vezetőképesség
Vizsgálat kimutatta, vezetőképesség félvezető erős függését jelenlétében még kisebb szennyeződések más kémiai elemek. Használata szennyeződések kapott a kívánt jellemzőkkel és félvezető eszközök.
Amikor adagolhatjuk négyvegyértékű félvezető szennyezést öt vegyértékű atomok (foszfor-P, Sb antimont. Arzén AS, stb) ezek helyettesítik-bázis-atomok a kristályrácsban. Négy vegyérték elektronok a szennyező atom kapcsolódik négy vegyérték elektronok a szomszédos atomok a fő félvezető. Ötödik elektron nem vesz részt létrehozásában a kristályrácsban gyengén párosul a szennyező atom. Amikor külső erő meglazul, és a szennyező atom - egy pozitív töltésű ion (. 8.6 ábra a). Szennyeződések számának növelése szabad elektronok nevezik donor (donare (Lat.) -, így, áldozatot).
Ábra. 8.6 A kristályrács a félvezető elektronikus vezető (a)
és az energia sáv diagram (b).
A szennyezéseket úgy választjuk meg, hogy az energia szintet d W elhelyezett rés alján a vezetési sáv fő félvezető, ez WF felett Fermi szintet. amely egyenlő értékének felét DW (kisebb szennyezéseket alacsony kötési energia). Ezért még egy kis külső befolyás DWQ. úgynevezett szennyező aktiválási energia megjelenéséhez vezet a szabad elektronok (ábra. 8.6, b). Például, az arzén bevezetett szilícium, DWQ = 0,05 eV. Az elektronok száma a szennyező anyagot úgy határozzuk meg, a képlet:
ahol: DWQ - szennyező aktiválási energia (eV);
ND - koncentrációja a donor szennyező;
B - az arányosság együttható (cm 3).
Minél nagyobb a mozgási energiája az elektron, annál nagyobb ez az energia diagram.
A félvezetők, elektronikus vezető (vagy n-típusú), elektronok - a többségi töltéshordozók, lyukak a többségi töltéshordozók nem.
A megjelenése a lyuk miatt termogeneratsiey. Azonban, azok koncentrációja lényegesen alacsonyabb, mint az intrinsic félvezetők miatt feleslegben elektronok, ezért nagy a valószínűsége a találkozó, és rekombinációs lyukak.
Ábra. 8.7 ábra egy görbe, amely egy tipikus, függését a koncentráció a szabad elektronok a félvezető a hőmérséklettől.
Válogatás a koordinátákat kapcsolódó vágy, hogy a lineáris összefüggés a grafika alapján kifejezések (1) és (2). A dőlésszög egyenes vonalak a diagramon arányos DWQ és DW.
Alacsony hőmérsékleten (jobb oldalán grafikon), a koncentrációt az elektronok a félvezető határozza meg a szennyezés-koncentrációja. Ahogy a hőmérséklet emelkedik, és a szennyező vezetőképesség képletű (2) határozza meg ebben a szakaszban. Bizonyos hőmérsékleten, az elektron koncentrációja függetlenné válik a hőmérséklet (a szennyező régió kimerülése).
Minden már ionizált szennyező atomok, és a belső koncentrációja elektronok még mindig sokkal kisebb, mint a szennyező.
Ábra. 8,7 logaritmus elektron koncentrációja ellen a reciprok hőmérséklet
Magasabb hőmérsékleten kezd nagyon éles növekedése az elektron koncentráció további növelése a hőmérséklet. Ez a régió a belső vezetőképesség, amely úgy definiálható, amelyet a képlet (1).
A legtöbb félvezető eszközök a szennyező régió kimerültség, mivel a hőmérséklet hatására, például a jellemzői félvezető erősítő eszközök, stb kívánatos, és igyekszik a minimálisra csökkenteni. Továbbá a belső vezetési paramétereket drámaian megváltozott adatokat készült eszközök általában szennyeződéseket.
P-típusú félvezetők
Ha egy négy vegyértékű elem, így szilícium atomok adja három vegyértékű elem (Ga galliumot, indiumot. A bór, stb), akkor a szennyező atom kialakított négy kovalens kötéseket szilíciumatom hiányzik egy elektron (ábra. 8,8, és ). Ezt elektron lehet beszerezni a szomszédos szilícium miatt a kovalens kötés szakadás atom, amely előírja bizonyos energia költség WA (ábra. 9.8, b).
Ábra. 8.8 A kristályrács a félvezető p-típusú (a)
és az energia sáv diagram (b).
Helyett a törött csatlakozó nyílás van kialakítva, és az elektron megmarad körül szennyező atom válik negatív töltésű ion. Hogy kiadja ezt elektron igényel jelentős teljesítmény, több mint WA. ami lefordítja a zóna szabad elektronokat.
Szennyező számának növelése szabad lyukak, az úgynevezett elfogadó (acceptare (lat.) -, hogy).
A szennyezéseket úgy választjuk meg, hogy az energia szintet WA elhelyezett sávú közelében vegyértéksáv a félvezető mag, elmarad a Fermi szint (némi szennyeződést). Ezért még egy kis külső befolyás vezet a megjelenése szabad lyukak.
Minél nagyobb a mozgási energiája a lyuk, annál kisebb ez az energia diagram.
A félvezetők, p-típusú (vagy p-típusú), lyukak - a többségi töltéshordozók, elektronok a többségi töltéshordozók.
A megjelenése elektronok társított termogeneratsiey. Azonban, azok koncentrációja lényegesen alacsonyabb, mint a belső félvezetők a felesleges lyukak így teljesíti a nagy valószínűséggel az elektronok és a rekombináció őket.
Hangsúlyozzuk újra: tényleges mozgó elektronok a vegyérték elektron sávban. Nem részecske „lyukak” nem létezik. Ez nem lehet eltávolítani a kristályból és a vizsgálat, például, a viselkedés a vákuumban.
8.3 Kártérítés félvezető szennyeződések
A fő probléma a félvezető eszközök tisztítására szennyezéseket a kiindulási anyagból, hogy hajtsák végre a drága és technikailag nehéz. A túl további adalékokat szükséges egy bizonyos arányban lehetővé teszi, hogy a kívánt jellemzőkkel és a félvezető.
Példa. a szilícium szigorúan azonos koncentrációt arzén és a bór bevezetett (ábra. 8,9, a). Mik a szabad töltéshordozók jelenik meg, és milyen arányban?
Minden elektronokat a donor szintjén WD kapcsolót kezdetben szabad alsó szinten elfogadó WA. Most, hogy hozzon létre kristály szabad elektron, szükséges, hogy fordítsuk az energia WD - WA. majdnem akkora, mint DW (ábra. 8,9, a). Több energiát kell fordított felszabadítására elfogadó szinten a lyukak képződését.
Így nem szennyező a félvezető töltéshordozók, és úgy viselkedik, mint egy belső félvezető.
Ez a példa azt mutatja, hogy egy kis szennyező képes kompenzálni egyéb szennyezők a félvezető nem teljesen tisztított, de feltétlenül igényel pontos dózis a szennyeződések, nehéz megvalósítani.
Ezért, a teljes kompenzációt nem hajtjuk végre, és a túlsúlyban lévő szennyező típusát határozza meg vezetőképesség egy részlegesen tisztított félvezető.
Megfelelő félvezetők használják az elektronika, mint az elemek nagy ellenállású. Ahhoz, hogy ezek olyan anyagból kis szennyeződések is bejuttatunk mély szennyező (WA ≈ DW / 2 vagy WD ≈ DW / 2) a magasabb koncentrációjú.
Mély elfogadóhelyek elfog minden elektron donorok sekély, és engedje őket nem könnyű. Szabad lyukak mély szennyező nem képez, mivel az energia aktiválás lyukak ezek elfogadóhelyek magas (ábra. 8,9, b).
Ha mély donorok, akkor elfog a lyukak miatt átmeneti elektronok, valamint a szennyezőanyag energiatartalma alacsonyabb, az akceptor és a szabad elektronok nem képződik, mivel a szükséges energia, hogy aktiválja őket nagy (ábra. 9.9).
Ábra. 8.9 Zóna energia korrekciós diagram típusát
vezetőképesség kis szennyezők (a) mély szennyeződéseket (b)
oktatás és az energia „lépések” (c).
Példa. ha bevezetése előtt a mély szennyező gallium-arzenid (GaAs) volt p - típusú, majd oxigént fújunk be, ami egy mély donor GaAs. Ha az eredeti GaAs volt n - típusú adagolhatjuk krómot, amely egy GaAs mély akceptor.
Eredmény - GaAs kristály jellemzőivel belső félvezető és ellenállása 10 7 ohm-cm.
Mély szennyező meghatalmazotti energia lépés elvégzésére az ellenkező funkció: segíteni születési lyukak és elektronok (ábra 9,9 g.).
Például, lehet végezni két szakaszban elektron átmenet a vezetési sávban, először egy mély szinten szennyező (WD = DW / 2), és csak ezután a vezetési sávban, kiadások kicsit egyenlő, hogy a fontos részei az energia.
Amikor a folyamat lépéseit energiatermelés szabad lyukak és elektronok megy sokkal intenzívebb, ha a külső elektromos mező, amely megosztani ezeket töltéshordozók és nekik újraegyesítése.
Ezt a hatást használják az elektronikában a meredeken növekvő áramsűrűség, például infravörös fotodióda.
Mély szennyeződéseket is csökkentheti a készülék élettartamát szabad elektronok eljárva, mint a „gyilkosok”. Úgy rögzítse és tartsa elektronok ig, amíg a jövő nem lyuk rekombináció történik, és a szennyeződés ismét készen áll a funkcióját.
Ez a tulajdonság létrehozásához használt nagy teljesítményű félvezető eszközök.
Használt és egyéb szennyeződéseket. Rájuk lesz szó a következő részben a napelemek.
Ha arra van szükség, hogy magas mozgási sebessége a szabad elektronok, vagy hosszabb élettartam, a félvezető alaposan tisztítani.