Файл: Сиволобов Н.А. Основы полупроводниковой электроники учеб. пособие.pdf

ВСЕСОЮЗНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ИНСТИТУТ ТЕКСТИЛЬНОЙ И ЛЕГКОЙ ПРОШШГЕННОСТИ

Кафедра автоматизации производственных процессов

Н.А.СИВОЛОБОВ

ОСНОВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Утверндено Советом электромеха-і нического факультета в качестве учебного пособия

ЦНИИТЭИлегпром

Учебное пособие составлено в соответствии с программой курсов "Основы промышленной электроники" для студентов спе-і цвальностеи электромеханического факультета и "Основы авто-і ыатики и автоматизация производственных процессов" для сту-і дентов технологических факультетов.

ВВЕДЕНИЕ

Все тела по электропроводности разделяют на проводники (металлы), непроводники (изоляторы-диэлектрики) и полупроводни­ ки. Обычно к полупроводникам относят материалы, которые при ком­

ление образующегося сплава (например, нихрома, манганина) больше удельного сопротивления каждого из компонентов, тогда как при добавлении примеси в чистый полупроводник его удельное сопротив­ ление сильно уменьшается ; например, І0- 5 /|мышьяка в германии сняжа ет его сопротивление в 200 раз.

Причины отмеченных особенностей полупроводников будут яенн после изучения структуры и механизма проводимооти. Ооновные ма­ териалы, используемые в современной полупроводниковой техникегермании и кремнир.. Закономерности, характерные для германия и кремния, распространяются в общем и на такие полупроводники,

как селен, закись меди, интерметаллические соединения индий-сурь­ ма и галлий-мышьяк и другие. Все они относятся к классу электрон­ ных полупроводников, в которых электрический ток обусловлен электронамт:, а не г.ш-іам;і.

ленным орбитам отрицательных электронов. Орбиты располагаются в строгом порядке и в зависимости от энергии электронов составляют так называемые • электронные оболочки (рис.І).

Существуют закономерности, определяющие максимальное коли­ чество электронов в каждой оболочке и число оболочек в атоме. В соответствии с этими закономерностями хорошо объясняется пе­ риодическая система Д.И.Менделеева: атомный номер элемента со­

ответствует числу электронов в атоме, период - числу оболочек, а группа - числу электронов на последней оболочке, соответствующей наибольшей энергии электронов для данного атома, эти электроны носят название валентных электронов.

Для перемещения электрона с одной оболочки на другую, бо­ лее удаленную от ядра атома, необходимо затратить энергию. Ва­ лентные электроны связаны с ядром более слабо, чем электроны

меньшей энергии. Эти электроны определяют валентность элемента, взаимодействуют с электронами других атомов, участвуют в хими­ ческих реакциях и определяют электрическую проводимость твердо­ го тела.

Если в электронной оболочке содержится ілаксимально воз­ можное число электронов, т . е . все энергетические уровни заме-

Р « с . І . ПЛОСКР.Л схена строения атома кремния, 14 электронов і'а) и германия, 32 электрона (б)

W

к

>

о

о

щен.., то такая оболочка называется заполненной. Электроны за­ полненных оболочек прочно удерживаются в атоме.

Если атому вещества сообщить извне некоторую энергию, то его валентные электроны могут перейти на более высокие энерге­ тические уровни, называемые уровнями возбуждения. Если сообщен­

зывается уровнем ионизации. В отсутствие возбуждения внешние уров­

- 7

W

Pи с . З . Кривые изменения энергии:

а-I изменение полной анергии при сближении двух атомов; й -, образование энергетических зон (разрешенных) твердого тела при расщеп­ лении уровнен атомов

образуя" энергетические зоны небольшого числа близко расположена ных, но все не дискретных энергетических состояний (рис.3,б). Внешние электронные оболочки атомов перекрываются, электронная плотность меаду ядрами возрастает. Все электроны, согласно

приг'типу Паули, должны занять различные энергетические уровни, разрешенные для данного электрона.

Любое твердое тело представляет сооой множество атомов, взаимодействующих друг с другом благодаря малым межатомным рас­ стояниям. Поэтому всю совокупность атомов в куске твердого тела следует рассматривать как единое целое, как гигантскую молекулу, которая, подобно атому, характеризуется некоторым единым энерге­ тическим спектром. Особенность этого спектра заключается в том, что он состоит не из дискретных разрешенных уровней, а из дискрет­ ных разрешенных зон. Каждая зона происходит от соответствующего атомного уровня, который как бы расщепляется при сближении атомов.

Энергетические уровни электронов, находящихся во внутренних (заполненных) оболочках, расщепляются незначительно, образуя так навываеше заполненные зоны, или зоны нормальных уровней. Изме­ нение энергетического состояния электрона в заполненной зоне не­ возможно, так как все соседние энергетические состояния заняты другими электронами. Электроны заполненной зоны называют связан­ ными электронами.

Расщепление энергетических уровней валентных электронов приводит к образованию валентной зоны.

Зоны энергетических уровней возникают также и при расщепле­ нии уровней возбуждения и ионизации. Такие зоны называются зонами возбуждения, или зонами проводимости, а электроны в них - сво­ бодными электронами.

Различные энергетические зоны могут быть разделены энерге­

- 9 -

ЗоіѴо/ проводимости

Наибольший интерес представляют валентные зоны и зоны про­ водимости, так как от энергетического состояния электронов в этих зонах зависят электрические свойства тела. Проводимость возможна только тогда, когда возможен переход электрона на смеж­ ный, более высокий уровень. Значит в проводимости могут участ­ вовать только электроны тех зон, в которых есть свободные уров­ ни. Такие свободные уровни всегда имеются в самой верхней разре­ шенной зоне - зоне проводимости, так как в изолированных атомах никогда не заполнены верхние уровни.