Тема 4. Загальні відомості про принципи роботи і характеристики напівпровідникових приладів. Елементна база мікропроцесорної техніки

1 . Загальні відомості про напівпровідники

1. Загальні відомості про напівпровідники
Напівпровідниками називають речовини, питома провідність яких має
проміжне значення між питомими провідностями металів і діелектриків.
Напівпровідники одночасно є поганими провідниками й діелектриками.
Границя між напівпровідниками й діелектриками умовна, тому що діелектрики
при високих температурах можуть поводитися як напівпровідники, а чисті
напівпровідники при низьких температурах поводяться як діелектрики. У
металах концентрація електронів практично не залежить від температури, а в
напівпровідниках носії заряду виникають лише при підвищенні температури
або поглинанні енергії від іншого джерела.
Типовими напівпровідниками є вуглець (C), германій (Ge) і кремній
(Si). Германій - це тендітний сірувато-білий елемент, відкритий в 1886 г.
Кремній був відкритий в 1823 г. Він широко розповсюджений у земній корі у
вигляді кремнезему (двоокису кремнію), силікатів і алюмосилікатів. Двоокисом
кремнію багаті пісок, кварц, агат і кремінь. Із двоокису кремнію SiO2 хімічним
шляхом одержують чистий кремній. Кремній є найбільше широко
використовуваним напівпровідниковим матеріалом. Розглянемо докладніше
утворення електронів провідності в напівпровідниках на прикладі кремнію.
Атом кремнію має порядковий номер Z = 14 у періодичній системі Менделєєва.
Тому до складу його атома входять 14 електронів.
Однак тільки чотири з них перебувають на незаповненій зовнішній оболонці
і є слабко зв'язаними.
Ці електрони називаються валентними й обумовлюють чотири
валентності кремнію. Атоми кремнію здатні поєднувати свої валентні
електрони з іншими атомами кремнію за допомогою так званого ковалентного
зв’зку (мал. 1). При ковалентному зв'язку валентні електрони спільно
використовуються різними атомами, що приводить до утворення кристала (мал.
2). 
При відсутності домішок і температурі, близької до абсолютного нуля, усі
валентні електрони атомів у кристалі кремнію взаємно зв'язані й вільних
електронів немає, так що кремній не має провідності. 

Мал. 1. Парноелектронний (ковалентний) зв'язок
атомів кремнію

Мал. 2. Зв'язки в кристалічних решітках
кремнію
При підвищенні температури або при опроміненні збільшується енергія
електронів, що приводить до часткового порушення ковалентних зв'язків і появі
вільних електронів. Уже при кімнатній температурі під дією зовнішнього
електричного поля вільні електрони переміщаються й у кристалі виникає
електричний струм.
Електропровідність, обумовлена переміщенням вільних електронів,
називається електронною провідністю напівпровідника, або n – провідністю
(negative).
З появою вільних електронів у ковалентних зв'язках утворюється вільне
не заповнене електроном (вакантне) місце - «електронна дірка».
Через те, що дірка виникла в місці відриву електрона від атома, то в
області її утвору виникає надлишковий позитивний заряд.
При наявності дірки який-небудь із електронів сусідніх зв'язків може
зайняти місце дірки й нормальний ковалентний зв'язок у цьому місці
відновиться, але буде порушена в тому місці, звідки пішов електрон. Нову
дірку може зайняти ще який-небудь електрон і т.д. 
Під дією зовнішнього електричного поля дірки переміщаються в
напрямку сил поля, тобто протилежно переміщенню електронів.
Провідність, що виникає в результаті переміщення дірок, називається
дірковою провідністю, або р- провідністю (positive).
У кристалі чистого напівпровідника при порушенні ковалентних зв'язків
виникає однакове число вільних електронів і дірок. Одночасно із цим
відбувається зворотний процес - рекомбінація, при якій вільні електрони
заповнюють дірки, утворюючи нормальні ковалентні зв'язки.
При певній температурі число вільних електронів і дірок в одиниці об'єму
напівпровідника в середньому залишається постійним. При підвищенні
температури число вільних електронів і дірок сильно зростає й провідність
напівпровідника значно збільшується (особливо германія). (У цьому істотну
відмінність напівпровідників від металів, у яких з підвищенням температури
провідність зменшується). Електропровідність напівпровідника при
відсутності в ньому домішок називається його власною електропровідністю.
Властивості напівпровідника в сильному ступені міняються при наявності
в ньому незначної кількості домішок. Уводячи в кристал напівпровідника атоми
інших елементів, можна одержати в кристалі перевагу вільних електронів над
дірками або, навпаки, перевагу дірок над вільними електронами.
Додавання домішок у напівпровідникові матеріали називається
легуванням. При заміщенні в кристалічних ґратах атома германія атомом
п'ятивалентної речовини (миш'яку, сурми, фосфору) чотири електрони цієї
речовини утворюють заповнені зв'язки із сусідніми атомами германія, а п'ятий
електрон виявиться вільним (мал.4, а), тому така домішка збільшує
електронну провідність (n-провідність) і називається донорною. 

Мал. 4, а). Донорна домішка                 Мал. 4, б). Акцепторна домішка 

При заміщенні атома германія атомом тривалентної речовини (індій,
галій, алюміній) його електрони вступлять у ковалентний зв'язок із трьома
сусідніми атомами германія, а зв'язки із четвертим атомом германія будуть
відсутні, тому що в індію немає четвертого електрона (мал. 4, б).
Відновлення всіх ковалентних зв'язків можливо, якщо відсутній
четвертий електрон буде отриманий від найближчого атома кремнію. Але в
цьому випадку на місці електрона, що покинув атом кремнію, з'явиться дірка,
яка може бути заповнена електроном із сусіднього атома кремнію. Послідовне
заповнення вільного зв'язку еквівалентно руху дірок.
Домішки з меншим числом валентних електронів в атомі в порівнянні з
атомом даного напівпровідника викликають перевагу діркової провідності й
називаються акцепторними.
Носії заряду, що визначають вид провідності в примесном
напівпровіднику, називаються основними (дірки в р-напівпровіднику й
електрони в n-напівпровіднику), а носії заряду протилежного знака -
неосновними.