Типы, применение и примеры полупроводников

приложений

Полупроводники широко используются в качестве сырья при сборке электронных элементов, которые являются частью нашей повседневной жизни, таких как интегральные схемы.

Одним из основных элементов интегральной схемы являются транзисторы. Эти устройства выполняют функцию обеспечения выходного сигнала (колебательный, усиленный или выпрямленный) в соответствии с конкретным входным сигналом..

Кроме того, полупроводники также являются основным материалом диодов, используемых в электронных схемах для обеспечения прохождения электрического тока только в одном направлении..

Для конструкции диодов образуются внешние полупроводниковые соединения типа P и типа N. Посредством чередующихся элементов носителя и доноров электронов активируется механизм баланса между обеими зонами..

Таким образом, электроны и дыры в обеих зонах пересекаются и дополняют друг друга при необходимости. Это происходит двумя способами:

— Происходит перенос электронов из зоны N-типа в зону P. В зоне N-типа преобладает зона положительного нагружения..

— Представлен проход электрононосных дырок из зоны P-типа в зону N-типа. Зона P-типа приобретает преимущественно отрицательный заряд.

Наконец, создается электрическое поле, которое вызывает циркуляцию тока только в одном направлении; то есть из зоны N в зону P.

Кроме того, используя комбинации внутренних и внешних полупроводников, можно получить устройства, которые выполняют функции, аналогичные вакуумной трубке, объем которой в сотни раз превышает ее объем..

Этот тип приложений применяется к интегральным схемам, таким как микропроцессорные микросхемы, которые покрывают значительное количество электрической энергии.

Полупроводники присутствуют в электронных устройствах, которые мы используем в нашей повседневной жизни, таких как оборудование коричневой линии, такое как телевизоры, видеоплееры, звуковое оборудование; компьютеры и сотовые телефоны.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость тока, проходящего через p-n переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода.

На графике ниже изображена такая кривая. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока (Iпр), а в нижней части — обратного тока (Iобр).
По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения Uпр, а в левой части – обратного напряжения (Uобр).

Вольт-амперная характеристика состоит как бы из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.

Прямая ветвь идет круто вверх, прижимаясь к вертикальной оси, и характеризует быстрый рост прямого тока через диод с увеличением прямого напряжения.Обратная ветвь идет почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост обратного тока. Чем круче к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. Наличие небольшого обратного тока является недостатком диодов. Из кривой вольт-амперной характеристики видно, что прямой ток диода (Iпр) в сотни раз больше обратного тока (Iобр).

При увеличении прямого напряжения через p-n переход ток вначале возрастает медленно, а затем начинается участок быстрого нарастания тока. Это объясняется тем, что германиевый диод открывается и начинает проводить ток при прямом напряжении 0,1 – 0,2В, а кремниевый при 0,5 – 0,6В.

Например. При прямом напряжении Uпр = 0,5В прямой ток Iпр равен 50mA (точка «а» на графике), а уже при напряжении Uпр = 1В ток возрастает до 150mA (точка «б» на графике).

Но такое увеличение тока приводит к нагреванию молекулы полупроводника. И если количество выделяемого тепла будет больше отводимого от кристалла естественным путем, либо с помощью специальных устройств охлаждения (радиаторы), то в молекуле проводника могут произойти необратимые изменения вплоть до разрушения кристаллической решетки. Поэтому прямой ток p-n перехода ограничивают на уровне, исключающем перегрев полупроводниковой структуры. Для этого используют ограничительный резистор, включенный последовательно с диодом.

У полупроводниковых диодов величина прямого напряжения Uпр при всех значениях рабочих токов не превышает:
для германиевых — 1В;
для кремниевых — 1,5В.

При увеличении обратного напряжения (Uобр), приложенного к p-n переходу, ток увеличивается незначительно, о чем говорит обратная ветвь вольтамперной характеристики.
Например. Возьмем диод с параметрами: Uобр max = 100В, Iобр max = 0,5 mA, где:

Uобр max – максимальное постоянное обратное напряжение, В;Iобр max – максимальный обратный ток, мкА.

При постепенном увеличении обратного напряжения до значения 100В видно, как незначительно растет обратный ток (точка «в» на графике). Но при дальнейшем увеличении напряжения, свыше максимального, на которое рассчитан p-n переход диода, происходит резкое увеличение обратного тока (пунктирная линия), нагрев кристалла полупроводника и, как следствие, наступает пробой p-n перехода.

Легирование проводящих полимеров

Проводящие полимеры можно легировать, добавляя химические реагенты для окисления или иногда восстановления системы, так что электроны выталкиваются на проводящие орбитали внутри уже потенциально проводящей системы. Существует два основных метода легирования проводящего полимера, в каждом из которых используется окислительно-восстановительный (т.е. окислительно-восстановительный ) процесс.

1. Химическое легирование включает воздействие на полимер, например меланин , обычно тонкую пленку , окислителем, таким как йод или бром . Альтернативно полимер можно подвергнуть воздействию восстановителя ; этот метод гораздо менее распространен и обычно включает щелочные металлы .
2. Электрохимическое легирование включает суспендирование покрытого полимером рабочего электрода в растворе электролита, в котором полимер нерастворим, вместе с отдельными противоэлектродами и электродами сравнения. Электрическая разность потенциалов создается между электродами , что вызывает заряд и соответствующий счетчик иона из электролита , чтобы ввести полимер в форме электронного сложения (т.е. н-легирование) или удаление (например, п-легирования).

N-легирование гораздо реже , потому что в атмосфере Земли является кислород -богатой, таким образом , создавая окислительную среду. Богатый электронами, n-легированный полимер будет немедленно реагировать с элементарным кислородом, чтобы удалить примесь (то есть повторно окислить до нейтрального состояния) полимера. Таким образом, химическое легирование n-типа необходимо проводить в среде инертного газа (например, аргона ). Электрохимическое n-легирование гораздо более распространено в исследованиях, потому что легче исключить кислород из растворителя в герметичной колбе . Однако маловероятно, что проводящие полимеры с примесью n-типа доступны на рынке.

Влияние на структуру ленты

Полосная диаграмма работы PN-перехода в режиме прямого смещения, показывающая уменьшение ширины обеднения. Как p-, так и n-переходы легированы на уровне легирования 1 × 10 15 / см 3 , что приводит к встроенному потенциалу ~ 0,59 В. Об уменьшении ширины обеднения можно судить по профилю сжимающегося заряда, так как при увеличении вперед становится меньше примесей. предвзятость.

Легирование полупроводника в хороший кристалл вводит разрешенные энергетические состояния в запрещенной зоне , но очень близко к энергетической зоне, соответствующей типу легирующей примеси. Другими словами, электронодонорные примеси создают состояния вблизи зоны проводимости, а электроноакцепторные примеси создают состояния вблизи валентной зоны. Зазор между этими энергетическими состояниями и ближайшей энергетической зоной обычно называется энергией связи легирующих элементов или E _B, и он относительно невелик. Например, E _B для бора в объеме кремния составляет 0,045 эВ по сравнению с шириной запрещенной зоны кремния около 1,12 эВ. Поскольку E _B настолько мало, комнатная температура достаточно высока, чтобы термически ионизировать практически все легирующие атомы и создать свободные носители заряда в зоне проводимости или валентной зоне.

Легирующие примеси также обладают важным эффектом сдвига энергетических зон относительно уровня Ферми . Энергетическая зона, соответствующая допанту с наибольшей концентрацией, заканчивается ближе к уровню Ферми. Поскольку уровень Ферми должен оставаться постоянным в системе , находящейся в термодинамическом равновесии , наложение слоев материалов с различными свойствами приводит ко многим полезным электрическим свойствам, вызванным изгибом зон , если интерфейсы могут быть сделаны достаточно чисто. Например, свойства pn перехода обусловлены изгибом полосы, который происходит в результате необходимости выстраивать полосы в контактирующих областях материала p-типа и n-типа. Этот эффект показан на ленточной диаграмме . Зонная диаграмма обычно показывает изменение валентной зоны и краев зоны проводимости в зависимости от некоторого пространственного измерения, часто обозначаемого x . Уровень Ферми также обычно указывается на диаграмме. Иногда характеристический уровень Ферми , Е _я , что уровень Ферми в отсутствии легирования, как показан на рисунок. Эти диаграммы полезны для объяснения работы многих типов полупроводниковых устройств .

Связь с концентрацией носителей (низкий уровень допирования)

При низких уровнях легирования соответствующие энергетические состояния редко заселяются электронами (зона проводимости) или дырками (валентная зона). Можно записать простые выражения для концентраций электронов и дырок, игнорируя исключение Паули (с помощью статистики Максвелла – Больцмана ):

пезнак равноNC(Т)exp⁡((EF-EC)kТ),пчасзнак равноNV(Т)exp⁡((EV-EF)kТ),{\ displaystyle n_ {e} = N _ {\ rm {C}} (T) \ exp ((E _ {\ rm {F}} — E _ {\ rm {C}}) / kT), \ quad n_ {h } = N _ {\ rm {V}} (T) \ exp ((E _ {\ rm {V}} — E _ {\ rm {F}}) / kT),}

где E _F — уровень Ферми , E _C — минимальная энергия зоны проводимости, а E _V — максимальная энергия валентной зоны. Они связаны со значением собственной концентрации через

пя2знак равнопчаспезнак равноNV(Т)NC(Т)exp⁡((EV-EC)kТ),{\ displaystyle n_ {i} ^ {2} = n_ {h} n_ {e} = N _ {\ rm {V}} (T) N _ {\ rm {C}} (T) \ exp ((E _ {\ rm {V}} — E _ {\ rm {C}}) / kT),}

выражение, которое не зависит от уровня легирования, поскольку E _C — E _V ( ширина запрещенной зоны ) не изменяется при легировании.

Коэффициенты концентрации N _C ( T ) и N _V ( T ) задаются формулами

NC(Т)знак равно2(2πме*kТчас2)32NV(Т)знак равно2(2πмчас*kТчас2)32.{\ Displaystyle N _ {\ rm {C}} (T) = 2 (2 \ pi m_ {e} ^ {*} kT / h ^ {2}) ^ {3/2} \ quad N _ {\ rm {V }} (T) = 2 (2 \ pi m_ {h} ^ {*} kT / h ^ {2}) ^ {3/2}.}

где m _e * и m _h * — эффективные массы электронов и дырок плотности состояний , соответственно, величины, которые примерно постоянны по температуре.

Обратный ток

Обратный ток в диоде состоит из тока неосновной несущей и тока утечки на поверхность. Этот обратный ток настолько мал, что вы даже не можете его заметить, и он считается почти нулевым.

Обратный ток насыщения

Как известно, тепловая энергия непрерывно создает пары свободных электронов и дырок. Предположим, что тепловая энергия создала свободный электрон и дырку внутри области истощения.

Область истощения выталкивает вновь созданный свободный электрон в область n, заставляя его покинуть правый конец диода. Когда он достигает правого конца диода, он входит во внешний провод и течет к положительной клемме батареи.

С другой стороны, вновь созданная дырка помещается в область p. Эта дополнительная дырка на стороне p позволяет одному электрону с отрицательной клеммы батареи войти в левый конец диода и упасть в дырку.

Поскольку тепловая энергия непрерывно создает пары электрон-дырка внутри области истощения, во внешней цепи протекает небольшой непрерывный ток. Такой обратный ток, вызываемый термически создаваемыми неосновными носителями, называется током насыщения. Название насыщения означает, что увеличение обратного напряжения не приведет к увеличению количества термически производимых неосновных носителей.

Поверхностный ток утечки

В обратном смещенном диоде существует другой ток. Небольшой ток течет по поверхности кристалла, известной как ток поверхностной утечки.

Атомы на верхней и нижней поверхности кристалла не имеют соседей. У них всего шесть электронов на валентной орбите. Это означает, что у каждого поверхностного атома есть две дырки. Следующее изображение показывает эти дырки вдоль поверхности кристалла.

Из-за этого электроны проходят через поверхностные дырки от отрицательной клеммы батареи к положительной клемме батареи. Таким образом, небольшой обратный ток протекает вдоль поверхности.

Ковалентная связь

Металлическая связь, как вы помните, обеспечивается газом свободных электронов, который, подобно клею, удерживает положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Полупроводники устроены иначе — их атомы скрепляет ковалентная связь

. Давайте вспомним, что это такое.

Электроны, находящиеся на внешнем электронном уровне и называемые валентными

, слабее связаны с атомом, чем остальные электроны, которые расположены ближе к ядру. В процессе образования ковалентной связи два атома вносят «в общее дело» по одному своему валентному электрону. Эти два электрона обобществляются, то есть теперь принадлежат уже обоим атомам, и потому называютсяобщей электронной парой (рис. 2).

Рис. 2. Ковалентная связь

Обобществлённая пара электронов как раз и удерживает атомы друг около друга (с помощью сил электрического притяжения). Ковалентная связь — это связь, существующая между атомами за счёт общих электронных пар

. По этой причине ковалентная связь называется такжепарноэлектронной .

Строение атомов полупроводников.

Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыре валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.
На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.

Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих, и по одному, заимствованных от четырех соседних атомов. Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.

Создание p-n перехода

Что будет, если соединить два кусочка кремния c примесями p-типа и n-типа вместе? Получится p-n переход. Или как его еще называют — электронно-дырочный переход.

Этот переход является разграничительной зоной между p-областью и n-областью.

И особенностью этого перехода является то, что этот переход состоит из ионизированных примесных атомов, которые не позволяют свободным зарядам из двух разных областей соединяться друг с другом. Он образовался от такого явления, как диффузионный ток.

Например, электроны из n-области начинают накапливаться возле положительных ионов примеси, но так как с другой стороны находятся отрицательные ионы n-области, они не могут перейти этот барьер. С дырками ситуация аналогична.

Свободные электроны из n-области не могут перейти в p-область из-за барьера, который создан ионизированными донорскими примесями. Здесь создается электрическое поле, которое действует как барьер для дырок и электронов. И из-за этого в p-n переходе отсутствуют свободные носителя зарядов. Переход их попросту отталкивает от себя с двух сторон.

А в целом, кристалл остается электрически нейтральным. Если бы не было этого барьера, свободные носители заряды уравновесили бы друг друга.

Преодоление потенциального барьера

Чтобы свободные электроны и дырки могли пройти через этот барьер, нужно приложить внешнее напряжение, которое будет превышать напряжение, требуемое для перехода барьера.

Подключим к n-области минус источника тока, а к p-области плюс источника тока. Такое включение называется прямым. Еще n-область в приборах называют катодом, а p-область — анодом.

Допустим, потенциальный барьер равен 0,125 Вольт. Чтобы преодолеть его, подключим источник с напряжением 5 В.

Чтобы не перегружать восприятие, на схеме не показаны неосновные носители зарядов.

И благодаря воздействию электрического поля внешнего источника, свободным носителям хватает энергии для того, чтобы перейти этот потенциальный барьер и преодолеть его электрическое поле. Переход подключен с прямым смещением.

Свежий электрон идет с источника, переходит в n-область, далее преодолевает барьер и переходит дырке, где происходит рекомбинация. И далее этот электрон идет на встречу к дырке, которая идет с положительного потенциала, подключенного к p-области. То есть, по p-n переходу проходит электрический ток. Этот ток называют еще диффузионным током или током прямого включения – когда основные носители зарядов упорядочено движутся к внешнему источнику тока.

Ток, который создается дырками называется дырочным. Соответственно, ток, который создается электронами – электронным.

А на этой схеме переход показан без барьера, но с обратным током.

Неосновные носители зарядов в свою очередь действуют наоборот, от чего и возникает дополнительное сопротивление в p-n переходе.

Обратный ток может быть равен всего нескольким микроамперам.

Обратное включение

Поменяем полярность внешнего источника на противоположную. Минус к p-области, а плюс к n-области. Что же будет происходить с барьером и током зарядов?

Барьер увеличится за счет того, что основные носители зарядов будут притягиваться к внешнему источнику. Увеличится сопротивление потенциального барьера и напряжение его открытия.

Однако, не смотря на все это, через p-n переход будет протекать обратный ток.

Этот обратный ток очень мал, поскольку создается неосновными носителями заряда. Он еще называется дрейфовым током.

1.3. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

Зависимость тока через p-n-переход от приложенного к нему напряженияI = f(U)называют вольтамперной характеристикойp-n-перехода, рисунок 4.

Рисунок 4 – Теоретическая и реальная ВАХ р-n-перехода

Вольтамперная характеристика электронно-дырочного перехода описывается уравнением Эберса-Молла:

где I– ток через переход при напряженииU;

I_S– ток насыщения, создаваемый неосновными носителями заряда.I_S называется также тепловым током, так как концентрация неосновных носителей зависит от температуры;

q_e – заряд электрона;

k– постоянная Больцмана;

Т– абсолютная температура;

Если р-n-переход включен в прямом направлении, напряжениеU берут со знаком плюс, если в обратном – со знаком минус.

При прямом приложенном напряжении

При обратном (отрицательном) напряжении

Однако уравнение Эберса-Моллавесьма приблизительно совпадает с реальными вольтамперными характеристиками, так как не учитывает целого ряда физических процессов, происходящих в полупроводниках. К таким процессам относятся: генерация и рекомбинация носителей в запирающем слое, поверхностные токи утечки, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей, явления теплового, лавинного и туннельного пробоев.

Если ток, протекающий через переход, незначителен, то падением напряжения на сопротивлении нейтральных областей можно пренебречь. Однако при увеличении тока этот процесс оказывает все большее влияние на ВАХ прибора, т.е. его реальная характеристика идет под меньшим углом и вырождается в прямую линию, когда напряжение на запирающем слое становится равным контактной разности потенциалов.

При некотором обратном напряжении наблюдается резкое возрастание обратного тока. Это явление называют пробоем перехода. Существует три вида пробоев: туннельный, лавинный и тепловой. Туннельный и лавинный пробои представляют собой разновидности электрического пробоя и связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе. Тепловой пробой определяется перегревом перехода.

Туннельный эффект (эффект Зенера) заключается в прямом переходе валентных электронов из одного полупроводника в другой (где они уже будут являться свободными носителями заряда), что становится возможным при высокой напряженности электрического поля на переходе. Такая большая напряженность электрического поля на переходе может быть достигнута при высокой концентрации примесей в p— иn-областях, когда толщина перехода становится очень маленькой.

В широких p-n-переходах, образованных полупроводниками со средней либо малой концентрациями примесей, вероятность туннельного просачивания электронов уменьшается и более вероятным становится лавинный пробой.

Лавинный пробой возникает, когда длина свободного пробега электрона в полупроводнике значительно меньше толщины перехода. Если за время свободного пробега электроны накапливают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов в переходе, то наступает ударная ионизация, сопровождающаяся лавинным размножением носителей зарядов. Образовавшиеся в результате ударной ионизации свободные носители зарядов увеличивают обратный ток перехода.

Тепловой пробой обусловлен значительным ростом количества носителей зарядов в p-n-переходе за счет нарушения теплового режима. Подводимая к переходу мощностьP_обр=I_обрU_обррасходуется на его нагрев. Выделяющаяся в запирающем слое теплота отводится преимущественно за счет теплопроводности кристаллической решетки. При плохих условиях отвода теплоты от перехода, а также при повышении обратного напряжения на переходе выше критического значения, возможен его разогрев до температуры, при которой происходит тепловая ионизация атомов. Образующиеся при этом носители зарядов увеличивают обратный ток через переход, что приводит к его дальнейшему разогреву. В результате такого нарастающего процесса переход недопустимо разогревается и возникает тепловой пробой, характеризующийся разрушением кристалла.

Увеличение числа носителей зарядов при нагреве перехода приводит к уменьшению его сопротивления и выделяемого на нем напряжения. Вследствие этого на обратной ветви ВАХ при тепловом пробое появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Источник

Механизм электрической проводимости

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76⋅10−19 Дж против 11,2⋅10−19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,04⋅10−19 Дж), и отдельные электроны получают энергию для отрыва от ядра. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное электрическое сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей, чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Дырка

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Этот процесс обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.

Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.

Энергетические зоны

Между зоной проводимости Е_п и валентной зоной Е_в расположена зона запрещённых значений энергии электронов Е_з. Разность Е_п−Е_в равна ширине запрещенной зоны Е_з. С ростом ширины Е_з число электронно-дырочных пар и проводимость собственного полупроводника уменьшается, а удельное сопротивление возрастает.

Подвижность

Подвижность электронов (верхняя кривая) и дырок (нижняя кривая) в кремнии в зависимости от концентрации атомов легирующих примесей

Подвижностью μ{\displaystyle \mu } называют коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью v→{\displaystyle {\vec {v}}} носителей тока и величиной приложенного электрического поля E→{\displaystyle {\vec {E}}}:

v→=μE→.{\displaystyle {\vec {v}}=\mu {\vec {E}}.}

При этом, вообще говоря, подвижность является тензором:

 vα=μαβEβ.{\displaystyle \ v_{\alpha }=\mu _{\alpha \beta }E_{\beta }.}

Подвижность электронов и дырок зависит от их концентрации в полупроводнике (см. рисунок). При большой концентрации носителей заряда вероятность столкновения между ними вырастает, что приводит к уменьшению подвижности и проводимости.

Размерность подвижности — м²/(В·с) в СИ или см/(В·с)в системе СГС.

Литература

1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 300-308.
2. Буров Л.И., Стрельченя В.Μ. Физика от А до Я: учащимся, абитуриентам, репетиторам. — Мн.: Парадокс, 2000. — С. 219-228.
3. Мякишев Г. Я. Физика: Электродинамика. 10 – 11 кл.: учебник для углубленного изучения физики/ Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. — М.: Дрофа, 2005. — С. 309-320.
4. Яворский Б. М., Селезнев Ю. А. Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и самообразования. — М.: Наука, 1984. — С. 165-169.

Виды полупроводников

По характеру проводимости

Собственная проводимость

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:

σ=1ρ=q(Nnμn+Npμp){\displaystyle \sigma ={\frac {1}{\rho }}=q(N_{\rm {n}}\mu _{\rm {n}}+N_{\rm {p}}\mu _{\rm {p}})}

где ρ{\displaystyle \rho } — удельное сопротивление, μn{\displaystyle \mu _{\rm {n}}} — подвижность электронов, μp{\displaystyle \mu _{\rm {p}}} — подвижность дырок, Nn,p{\displaystyle N_{n,p}} — их концентрация, q — элементарный электрический заряд (1,602⋅10−19 Кл).

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула принимает вид:

σ=1ρ=qN(μn+μp){\displaystyle \sigma ={\frac {1}{\rho }}=qN(\mu _{\rm {n}}+\mu _{\rm {p}})}

Примесная проводимость

Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)

Полупроводник n-типа

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

σ≈qNnμn{\displaystyle \sigma \approx qN_{\rm {n}}\mu _{\rm {n}}}

Дырочные полупроводники (р-типа)

Полупроводник p-типа

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.

Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

σ≈qNpμp{\displaystyle \sigma \approx qN_{\rm {p}}\mu _{\rm {p}}}

Литография

1. На поверхности пластины кремния формируется пленка окисла.
2. Поверх окисла наносится специальная паста – фоторезист. Пластина раскручивается в центрифуге, чтобы фоторезист равномерно растёкся по поверхности.
3. Совмещение. Сверху прикладывают специальную маску – фотошаблон. На ней нанесен рисунок слоя, например, разделительные дорожки или p-карманы всех элементов всех микросхем на пластине. Фотошаблон под мощным микроскопом совмещается с пластиной с помощью фигурок совмещения (прим.: специальные крестики-метки) и высокоточной механики.
4. Экспонирование. Пластина облучается ультрафиолетом через фотошаблон. Под действием излучения фоторезист меняет свои свойства, размягчается (в случае позитивного фоторезиста) или дубеет (негативный фоторезист). Далее будем рассматривать случай с позитивным фоторезистом.
5. Проявление – облученный фоторезист смывается растворителем и открывается слой окисла под ним.
6. Травление окисла. На незащищенных фоторезистом участках окисел снимается плавиковой кислотой или пучком ионизированного инертного газа. Плавиковая кислота дешевле, но она растворяет не только открытые участки, но и слегка подмывает окисел под фоторезистом (всё тот же shadowing effect).
7. Полное удаление фоторезиста с помощью более ядрёного проявителя.

прим.:писалBarsMonsterЭЛТэВSecondary Electronssic!