Электроника - практический курс - Джонс М.Х.
ISBN 5-901095-01-4
Скачать (прямая ссылка):
обеспечивается ковалентной связью. Известно, что при наличии у атома
восьми валентных электронов вещество оказывается очень стабильным
(инертные газы находятся в таком состоянии). Соседние атомы в кристалле
кремния или германия принимают совместное участие в таком образовании, в
результате чего каждое ядро имеет "половинную долю" в восьми валентных
электронах вместо индивидуального владения четырьмя валентными элект-
Введение в твердотельную электронику 11
ронами, которыми обладал бы изолированный атом. Такая структура из атомов
кремния схематически показана на рис. 1.6(a); каждая из указанных на
рисунке связей между атомами, представляет собой совместно используемый
валентный электрон. Здесь интересно отметить, что чрезвычайная твер-
н н
тт (c) н (c) (c) If (c) 11
н н
^(c)-(c)-(c)^(c)
н н н
тт (c) (c) н ?(c)=: ?(c)
н н н н
-(c)-(c)^(c)^0
н н
(Ь)
н н н н
O-t-O j (c) I (c)
Н дыр" н н н
(c) v(c)-^(c) *'(c)
и н н н
(c)^(c)гГ(c)^(c)
^ ^ ^ ^ ^ ^ Свободный^ ^
_ электрон
i(c)^(c)^(c)^(c) н н н н
Рис. 1.6. (а) Изображение ковалентных связей электрона в атомах кристалла
кремния. (b) Та же решетка кристалла, что и на рис.(о), но со свободным
электроном и дыркой, образованными тепловым возмущением.
12 Усиление и транзисторы
дость алмаза связана с тем, что четырехвалентные атомы углерода имеют
такую же организацию ковалентных связей в кристалле. Алмаз действительно
считается полупроводником, но прочность ковалентных связей, которая и
обеспечивает его физическую твердость, приводит фактически к очень слабой
электропроводности. Какое счастье, что для транзисторов мы имеем намного
лучшие и значительно более дешевые альтернативные материалы!
1.3.3 Электроны и дырки
Идеальная решетка из атомов кремния, показанная на рис. 1.6(a),
существует только при температурах вблизи абсолютного нуля. При комнатной
температуре вследствие тепловых колебаний атомов происходит разрыв
некоторых связей; электроны отрываются от атомов и свободно блуждают по
кристаллу. Там, где электрон становится свободным, он оставляет после
себя дырку или отсутствие отрицательного заряда, которое также может
казаться перемещающимся, если разорванная связь заполняется электроном из
соседнего атома. На рис. 1.6(A) представлен участок кристаллической
решетки кремния при комнатной температуре со свободным электроном и
получившейся дыркой.
Наличие свободных электронов делает кремний проводником электричества,
хотя и очень плохим. Если, например, подключить образец из кремния к
батарее, то приложенное поле будет увлекать свободные электроны по
направлению к положительному выводу. При этом дополнительные свободные
электроны появляются на отрицательном выводе и могут передвигаться по
полупроводнику, перескакивая от дырки к дырке. Так устанавливается
электрический ток. Если температура полупроводника увеличивается, то
разрывается большее число связей, появляется больше электронов и дырок и
проводимость растет. Интересно отметить, что этот температурный эффект
прямо противоположен эффекту, наблюдаемому в металлах: даже при низких
температурах в проводнике имеется такое облако свободных электронов, что
фактором, ограничивающим проводимость, является уже не отсутствие
свободных электронов, а их способность двигаться между атомами металла.
При увеличении температуры проводника амплитуда колебаний атомов
увеличивается и они в большей степени препятствуют движению свободных
электронов. Таким образом, с ростом температуры сопротивление проводника
увеличивается, тогда как у полупроводника оно падает. Очень слабая
проводимость, которой обладает чистый полупроводник, называется
собственной проводимостью.
1.3.4 Проводимость полупроводника с примесями
Добавление примесей в полупроводник приводит к интересным результатам.
Атомы некоторых примесей способны внедряться в кристаллическую решетку,
не внося в нее чрезмерной деформации, и в случае, когда валентность этих
атомов отличается от собственной валентности полупроводника,
Введение в твердотельную электронику 13
проводимость кристалла значительно возрастает. На рис. 1.7 показан
результат введения пятивалентных атомов фосфора в кристалл кремния.
Четыре из пяти валентных электронов связаны с соседними атомами кремния,
а оставшийся электрон настолько слабо связан, что становится свободным и
может передвигаться по кристаллу, увеличивая его проводимость. Введение
примесей в полупроводник называют легированием, а появляющаяся при этом
проводимость называется примесной проводимостью. Пятивалентные примеси,
такие как фосфор, называются донорными, так как они добавляют свободные
электроны в кристалл. Поскольку примесная проводимость в данном случае
обусловлена свободными отрицательными зарядами (электронами), этот тип
легированных полупроводников называют полупроводниками п-типа.
н н н н
1+ н н н
(c)^(c)^(c)с^(c)
Свободный
Н Н Н(tm)" н
(c)г(c) :.0 г(c) Н Н Н Н
(c) :Г (c)=?(c)=? (c)
