Раздел 1. Полупроводниковые приборы
Глава 1
Физические основы полупроводниковых приборов
Электропроводимость полупроводников
Электропроводность – это свойство веществ проводить электрический ток. Электрический ток – есть направленное движение свободных носителей заряда. Электропроводность веществ количественно характеризуется удельным электрическим сопротивлением s (Ом.см), или определяется концентрацией n (см-3) свободных носителей заряда в веществе, т.е. числом электронов в единице объема (эл/см3)
 |
В зависимости от способности проводить электрический ток, все твердые вещества делятся на три группы: проводники (металлы), полупроводники и диэлектрики (рис.1.1)
Рис. 1.1
К полупроводникам принято относить материалы, у которых удельное электрическое сопротивление при комнатной температуре составляет 103-109 Ом.см. Важнейшим признаком полупроводников является сильная зависимость их электрического сопротивления от температуры, степени освещенности, уровня облучения ионизирующим излучением, количества примесей и т.д.
В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов в основном используются следующие полупроводники:
- четырехвалентные - германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (AsGa);
- трехвалентные - алюминий (Al), индий (Jn), бор (В);
- пятивалентные – фосфор (P), сурьма (Sb), мышьяк (As).
Валентность вещества, определяет число электронов на внешней оболочке атома.
Все полупроводники можно разбить на две группы:
1. чистые (собственные, беспримесные или полупроводники i-типа) – это полупроводники, состоящие из атомов одного сорта;
2. примесные (легированные) – в них часть атомов собственного полупроводника заменяется на атомы другого вещества (полупроводника). Процесс введения примесей в полупроводник называется легированием. Поэтому примесные полупроводники называются легированными.
Собственные полупроводники
Атомы собственного полупроводника располагаются в пространстве в строго определённом порядке, образуя кристаллическую решётку с регулярной структурой. Она возникает за счёт обобществления валентных электронов соседними атомами (такая связь называется ковалентной). Плоская модель кристаллической решётки собственного четырехвалентного полупроводника (например, германия) приведена на 
рис.1.2.
В собственных полупроводниках, при Т=00K, свободных носителей заряда нет. Все электроны участвуют в образовании ковалентной связи, и полупроводник является диэлектриком. С повышением температуры электроны приобретают дополнительную энергию, и некоторые из них покидают ковалентные связи, становясь свободными. Незаполненная ковалентная связь заполняется одним из валентных электронов соседнего атома. На месте этого электрона образуется новая незаполненная связь, и далее процесс повторяется. Свободная ковалентная связь называется вакансией, её можно рассматривать, как свободный положительный носитель заряда, который называют дыркой. Процесс образования свободного электрона и дырки называется генерацией. Свободные электроны, двигаясь по объёму полупроводника, теряют часть своей энергии и могут занимать место дырки. Этот процесс взаимного исчезновения электрона и дырки называется рекомбинацией. В результате рекомбинации электрон и дырка перестают существовать. В чистом беспримесном полупроводнике (их называют полупроводниками i – типа) всегда выполняется условие
, 
,
где: ni и pi – соответственно концентрация электронов и дырок в полупроводнике; А - постоянный коэффициент; Т - температура по шкале Кельвина; 
- ширина запрещённой зоны (это энергия, которую должен приобрести электрон, чтобы разорвать ковалентную связь и стать свододным, она зависит от материала полупроводника). Она составляет 0,803 эВ для Ge, для Si - 1,12эВ, а для GaAs - 1,43эВ; k – постоянная Больцмана.
Чистые полупроводники при создании полупроводниковых приборов практически не используются, так как их свойства зависят только от температуры и других внешних факторов.