Химия - Фролов В.В.
Скачать (прямая ссылка):
Диапазон мощностей передаваемой электрической энергии в полупроводниковых устройствах также очень велик — от исчезают^ малых импульсов в системах радиосвязи до нескольких киловатт, например выпрямители на 500 и более ампер.
Механизм проводимости полупроводников определяется изменением связей между отдельными атомами в кристаллах под действием возбуждения: термического, оптического или возмущающих электрических полей.
Полупроводниковыми свойствами обладают кремний, германий, селен и ряд других простых веществ, а также химические соединения и интерметаллиды: РЬЭ, ОаАэ, 1пЭЬ и т. д. Такие вещества называются собственными полупроводниками в отличие от веществ, в которых явление полупроводимости зависит от введенных примесей, — примесные полупроводники.
Рассмотрим явление полупроводимости для простейшего случая элементарных собственных полупроводников, которыми являются первые четыре /э-элемента 1УА-группы: углерод (алмаз), кремний, германий и серое олово, кристаллизующееся по типу алмаза (табл. 13.12).
Таблица 13.12. Некоторые свойства кристаллов углерода, кремния, германия и олова.
. Элемент Радиус атома, им Энергия сг-связи, эВ . Размер ребра куба, .им
с 0,077 6,20 0,178
Б! 0,117 3,23 0,271
Ое 0,122 2,80 0,283
а-Бп 0,140 2,00 ' —
Все эти вещества обладают различным электрическим сопротивлением и занимают в шкале сопротивлений (рис. 197) места, далекие друг от друга. Строение кристаллов этих веществ одинаковое, но в зависимости от радиусов атомов и величин энергии межатомной связи размеры кристаллических решеток различны. В табл. 13.12 показаны размеры ребра куба элементарной ячейки для решетки типа алмаза, радиусы атомов и энергии связи между
427
Си БаРЬ ГпвЬ qe
5г ГтгР Сс1Те Эе С алмаз \ \ \ \ I
Ю'Б 10~31 10° 103 Юв 10я | 10,г 1015 (Ом-см)
I
--------Г'
Металлы \
Полупроводники
Изоляторы
РИС. 197. Шкала удельных сопротивлений
Се
II
Се
6у-с8язь
II
бе
II
. Се
:. ее
II
II
II
Се
II
се
II
Рис. 198. Строение алмазоподобного кристалла и интерпретация его в плоскости
атомами в кристаллах этих веществ, а на рис. 198 показано объемное строение кристалла и интерпретация его в плоскости. (Свинец, как известно, не обладает алмазоподобной модификацией, а кристаллизуется как металл — гранецентрированная кубическая решетка.)
Собственная проводимость полупроводников. Как следует из рис. 198, все атомы объединены о-связями из гибридизированных орбиталей, поэтому идеальный кристалл полупроводника не проводит электрический ток и является изолятором. Идеальным кристалл может быть только при О К, так как в этих условиях
исключено тепловое движение, создающее нарушения в кристаллической структуре. При любой другой температуре за счет флуктуации в распределении теплового движения возможны разрывы, или возбуждения сг-связей между атомами.
Энергии разрыва связей (табл. 13.12) для углерода, кремния, германия и даже олова весьма значительны, и вероятность разрыва достаточно мала, но возбуждение а-связи требует значительно меньше-Рис. 199. Возникновение проводи- г0 количества энергии, и вероятность
мости за счет возбуждения о-связей эт°ГО С06ЫТИЯ ВО МНОГО раз больше.
в кристаллах Возбуждение а-связи приводит к
428
освобождению одного электрона из пары, образующей ог-связь. В этом случае появляется электрон, обладающий подвижностью и способностью перемещаться в электрическом поле, и электронная «вакансия», или «дырка», в которую захватываются электроны из близко расположенных связей, что вызывает как бы перемещение этой «дырки» в направлении, противоположном движению электрона. Схематически это показано на рис. 199, а записать этот процесс можно в виде уравнения обратимой химической реакции:
(здесь ?—электронная вакансия, или «дырка»).
При каждой температуре в данном полупроводнике будет существовать определенное количество электронов и «дырок» (электронных вакансий) и сохранившихся а-связей. Это соотношение концентраций можно передать уравнением константы равновесия:
К -Щр- = КП 03.1)
Зависимость константы равновесия от температуры (см. гл. VI) может быть записана уравнением
. АН АБ ,
1п/(=--7^7г + ~^"' (13,2)
где ЛЯ — энергетический эффект реакции, равный энергии возбуждения (АЯ > 0); Д5—изменение энтропии за счет разупорядоче-ния системы (кристаллической решетки); Т — абсолютная температура.
Энергия возбуждения может быть измерена экспериментально с высокой степенью точности (изменение электрической проводимости в зависимости от температуры).
Полагая концентрацию ненарушенных а-связей «1, а [е] = [П], можем произвести следующий расчет:
1пМ[п] = ~4г+ "1Г' (Ш)
где АЕ — энергия возбуждения; к — постоянная Больцмана. Отсюда количество носителей — электронов или дырок — можно определить следующим образом:
АЕ АБ
1п[е]&-_ + _ (13.4)
или
\Е \5
2кТ + 2*
[е] = «? 2к1 а*. (13.5)
Общая собственная проводимость полупроводника
а0 = п,<7,ш,, + па да шп, (13.6)
