Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Математика, химия, физика arrow Анализ работы и применение активных полупроводниковых элементов

НАЧАЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПОНЯТИЯ И УРАВНЕНИЯ

Большинство полупроводниковых приборов в настоящее время созданы на кремнии. Основные составляющие кремниевого кристалла иллюстрируются на упрощенной двумерной диаграмме (рис. 1.1).

Основные составляющие структуры кремниевого кристалла

Рис. 1.1. Основные составляющие структуры кремниевого кристалла

Наблюдаются следующие свойства структуры кристалла.

1. Большинство узлов решетки занято атомами кремния. Эти ячейки электрически нейтральны, поскольку основной заряд, образованный ядром +4е,

нейтрализован четырьмя электронами (заряд е = 1,6-10-19 кулона). Каждый валентный электрон связан с двумя соседними атомами. Это взаимодействие названо валентной связью.

  • 2. Некоторые узлы решетки заняты донорными ионами. Их представляют пятивалентные атомы (типа фосфора или мышьяка), которые названы примесью. Они формируют с соседними атомами четыре валентные связи, а пятый валентный электрон является свободным. Общий заряд такого атома +5е нейтрализован зарядом -Ае, т. е. ионизирован с зарядом + е.
  • 3. Ряд узлов в решетке занят акцепторными ионами (представлены на рис. 1.1 трехвалентной примесью, обычно бор). В четырех валентных связях используются только три, т.е. атом превращается в акцепторный ион с зарядом -е, а один электрон кристалла кремния становится свободным.
  • 4. В некоторых узлах решетки валентная связь может отсутствовать, т. е. электрон становится свободным, приобретя достаточную для освобождения энергию из теплового запаса кристалла или из других источников. После себя электрон оставляет кремниевый ион, заряженный +е. Такие ионы названы дырками. Как показано на рис 1.2, отсутствующая связь в атоме заполняется валентным электроном соседнего атома. Этот процесс электронной передачи нейтрализует атом, но оставляет незанятую связь (дырку) в соседнем атоме. Следовательно, присутствие дырок в полупроводнике дает возможность валентным электронам стать подвижными.
Переход электрона между атомами (а); движение дырки от атома к атому (б)

Рис. 1.2. Переход электрона между атомами (а); движение дырки от атома к атому (б)

5. Различие между энергиями свободных и валентных электронов показано на энергетической диаграмме (рис. 1.3), из которой видно, что энергетические уровни электронов могут принимать в данном полупроводнике уровни энергий, сгруппированных в три зоны. Зона, которая включает уровни ниже Еу, названа валентной зоной. Зона, находящаяся выше Ес, включает в себя энергетические уровни, которыми обладают свободные электроны, она названа зоной проводимости. Энергетическая зона между двумя этими уровнями Ec-Ev =Eg названа запрещенной зоной, т. е. в идеально чистом полупроводнике в этом интервале не могут существовать промежуточные уровни энергии. В действительности, однако, запрещенная зона содержит уровни энергий, созданные кристаллическими дефектами. Такие дефекты неумышленно появляются в кристалле в процессе изготовления в формах атомного и других загрязняющих примесей и обычно называются локальными уровнями (ловушками), которые могут временно захватывать или освобождать электроны.

Энергетическая диаграмма с тремя зонами энергий электронов

Рис. 1.3. Энергетическая диаграмма с тремя зонами энергий электронов:

Ev и Ес - границы зон; Eg - запрещенная зона, например (Eg =1,12 эВ для кремния при температуре 300 К)

Во время работы полупроводникового устройства изменяющиеся электрические поля в любом сечении этого устройства в соответствии с некоторыми законами управляют созданием, исчезновением и переносом подвижных носителей заряда (электронов). Эти законы представлены уравнением Пуассона, двумя уравнениями плотности и двумя уравнениями непрерывности [1.1]. Эти пять фундаментальных уравнений лежат в основе работы любого полупроводникового устройства. Анализируем ли мы процессы, протекающие в полупроводниковом устройстве, например, находим значения внутренних переменных, или моделируем устройство, т.е. находим связи между переменными и структурными параметрами, основная проблема остается той же: нахождение частного решения этих фундаментальных уравнений.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы