Физика полупроводников. Полупроводниковые диоды

1.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова»
(БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова)
ЛЕКЦИЯ № 1
Тема: «Физика полупроводников. Полупроводниковые диоды.»
Текст лекции по дисциплине: «Физические основы микроэлектроники»
УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Введение в дисциплину.
2. Электрофизические свойства радиоматериалов.
3. Основные понятия зонной теории.
4. Собственные и примесные полупроводники.

2.

1. Введение в дисциплину.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Основная литература по дисциплине:
А. А. Щука. Электроника. Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2008, эл. рес.
А. А. Щука, А. С. Сигов ; отв. ред. А. С. Сигов. Микроэлектроника. Москва: Юрайт, 2020, эл. рес.
В. А. Веселов, О. С. Ипатов, В. В. Гаврилов. Аналоговые микросхемы преобразователей электрических сигналов и
особенности их применения. СПб.БГТУ "ВОЕНМЕХ" им. Д. Ф. Устинова, 2009, эл. рес.
Г. Г. Шишкин, А. Г. Шишкин. Электроника. Москва: Юрайт, 2019, эл. рес.
М. В. Гальперин. Электронная техника. Москва: Форум, 2019, эл. рес.
О. В. Миловзоров, И. Г. Панков. Основы электроники. Москва: Юрайт, 2020, эл. рес.
Дополнительная литература по дисциплине:
1. А. И. Кучумов. Электроника и схемотехника. М.: Гелиос АРВ, 2004.
Периодические издания:
1. Радиотехника - XXI век.
Лабораторные занятия:
1. N1 Multisim - академическая версия.
Текущая аттестация студентов проводится в дискретные временные интервалы в следующих формах: • тест.
Рубежная аттестация студентов производится по итогам половины семестра в следующих формах: • тест.
Промежуточная аттестация проводится в формах: • зачет

3.

Наименование разделов
Раздел 1. Основы зонной теории твердых тел.
Физика полупроводников. Полупроводниковые
Диоды.
Раздел 2. Биполярные транзисторы (БТ).
Усилительные каскады постоянного и
переменного тока на БТ.
Раздел 3. Полевые транзисторы (ПТ).
Раздел 4. Переключательные
электронные приборы — тиристоры.
Раздел 5. Перспективные направления
транзисторной микроэлектроники.
Раздел 6. Элементы микропроцессорной техники.

4.

Технологическая карта
Вид работ
Балл
Критерий
Диагностическая работа №1
0 или 10 баллов
Диагностическая работа №2
0 или 10 баллов
0 – диагностическая работа №2 не зачтена (тест не пройден)
10 – диагностическая работа №2 зачтена (тест пройден)
Диагностическая работа №3
0 или 10 баллов
0 – диагностическая работа №3 не зачтена (тест не пройден)
10 – диагностическая работа №3 зачтена (тест пройден)
Посещаемость всех видов аудиторных занятий по
дисциплине
20
Определяется преподавателем
Выполнение заданий
40
0 – диагностическая работа №1 не зачтена (тест не пройден)
10 – диагностическая работа №1 зачтена (тест пройден)
1.
Доклады студентов по пройденному лекционному
материалу
10
10 – Выступление с докладом по заданию преподавателя
1.
Выполнение лабораторной работы №1 с
составлением отчета
10
0 – лабораторная работа №1 не зачтена (отчет не сдан)
10 – лабораторная работа №1 зачтена (отчет сдан)
3.
Выполнение лабораторной работы №2 с
составлением отчета
10
0 – лабораторная работа №2 не зачтена (отчет не сдан)
10 – лабораторная работа №2 зачтена (отчет сдан)
4.
Выполнение лабораторной работы №3 с
составлением отчета
10
0 – лабораторная работа №3 не зачтена (отчет не сдан)
10 – лабораторная работа №3 зачтена (отчет сдан)
Иные достижения студента
10
Перечень и необходимость введения определяется
преподавателем

5.

К полупроводникам относят материалы, которые по величине удельной электрической
проводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
Электропроводность полупроводников в значительной степени зависит от температуры и концентрации
примесей, что объясняется особенностями их кристаллической структуры.
Основными материалами, применяемыми в полупроводниковой электронике, являются четырехвалентные
кремний (Si) и германий (Ge), а также бинарные соединения типа AIIIBV, например арсенид галлия
GaAs.
2. Электрофизические свойства радиоматериалов
Материалы, применяемые в электронной технике, подразделяют на радиоматериалы и
конструкционные материалы.
Под радиоматериалами понимают материалы, свойства которых зависят от электрических и
магнитных полей.
Конструкционными материалами называют материалы, которые должны обеспечивать
механическую прочность изделий, создаваемых из этих материалов. Электрические и механические
свойства материалов обусловлены их структурой, которая, в свою очередь, определяется структурой
электронных оболочек атомов.
По реакции на электрическое поле радиоматериалы делят на проводники, диэлектрики и
полупроводники.
По реакции на магнитное поле различают магнитные и немагнитные материалы.

6.

Общие сведения о строении вещества
Все вещества состоят из атомов. Из атомов состоят молекулы. Из молекул состоит вещество.
Вещество может находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии. Эти истины знает каждый
школьник. Для того чтобы разобраться в том, как устроены и работают современные сложные
электронные приборы, необходимо систематизировать некоторые основные положения физики, начиная
со структуры атомов и молекул.
Структура электронных оболочек атомов
Современная физика рассматривает атомы как частицы, состоящие из положительно заряженных
ядер, окруженных электронными оболочками. Электроны относятся к категории микрочастиц, которым
присущ принцип дуализма, то есть они обладают как свойствами частицы, так и свойствами волны. Ни
видеть, ни осязать электроны нельзя. Поэтому, изучая их, приходится пользоваться моделями и
абстракциями.
Простейшей, наиболее наглядной моделью, является модель Н. Бора, в которой электроны уподобляются
шарикам, вращающимся вокруг ядра по определенным орбитам. С точки зрения квантовой физики такое
представление ошибочно, так как микрочастица не может одновременно обладать определенными
значениями координаты и импульса. Поэтому применительно к микрочастице понятие траектории теряет
смысл. Квантовая механика в состоянии предсказать лишь вероятность нахождения электрона в данной
точке пространства.

7.

Эта вероятность представляет собой «усредненную» картину поведения электрона, что позволяет
представить электрон в виде облака, которое называют орбиталью.
Если в атоме водорода, удаляясь от ядра, проследить вероятность нахождения электрона, то окажется, что у самого
ядра она равна нулю, потом возрастает, достигая максимального значения на расстоянии 0,53*10-8 см от ядра, а затем
постепенно убывает. Расстояние r = 0,53*10-8 см условно принимают за радиус орбиты в атоме водорода, а сам
электрон рассматривают в виде шарика массой m = 9,1*10-31 кг и зарядом q = 1,6*10-19 Кл. Количество вращающихся
вокруг ядра электронов определяется порядковым номером химического элемента в периодической системе Д. И.
Менделеева: в атоме водорода — один электрон, в атоме гелия — два и т. д.
Движение электронов вокруг ядра происходит по строго определенным орбитам так, что на длине орбиты
укладывается целое число длин волн, называемых волнами Де Бройля. При этом условии на длине орбиты образуется
стоячая волна и не происходит излучения электромагнитной энергии. В противном случае электрон будет терять свою
энергию, радиус орбиты станет уменьшаться и в результате электрон окажется притянутым к ядру.
Волны де Бройля – это волны любой микрочастицы, отражающие их квантовую структуру, т. е. возможность частицы
переносить энергию.
В начальном (невозбужденном) состоянии электрон в атоме водорода находится на наиболее близкой к ядру
орбите и обладает энергией Е = -13,6 эВ. Путем внешнего энергетического воздействия он может быть переведен на
более удаленную орбиту. Такое состояние атома называется возбужденным, оно является неустойчивым. В любом
атоме электроны стремятся занять наиболее низкие энергетические уровни, поэтому спустя некоторое время электрон
вернется на первоначальную орбиту, выделив при этом квант энергии, равный разности соответствующих
энергетических уровней.

8.

В многоэлектронных атомах потенциальная энергия электрона зависит не только от его расстояния до ядра, но и
от расстояний до каждого из остальных электронов, вследствие чего численные значения радиусов орбит и,
соответственно, величины энергии не совпадают с численными значениями радиусов и энергии для атома водорода.
Вращение электронов в этих атомах может происходить как по круговым, так и по эллиптическим орбитам.
Движение электрона по круговой орбите соответствует сферическому электронному облаку, а движение по эллиптической орбите — облаку в форме гантели. При этом электроны стремятся занять наиболее низкие энергетические
уровни, но при условии, что на каждом энергетическом уровне находится не более двух электронов (принцип
Паули). Чем больше электронов в атоме, тем более высокие энергетические уровни они занимают. Возможные
энергетические состояния электронов характеризуют четырьмя квантовыми числами.
Главное квантовое число п определяет радиус круговой орбиты или большую полуось эллиптической.
Оно может принимать значение п = 1, 2, 3 и т. д. Чем больше и, тем больше радиус орбиты и энергия электрона.
Состояния электрона, определяемые главным квантовым числом, называют энергетическими уровнями.
Орбитальное квантовое число l определяет малую полуось эллиптической орбиты. Оно может принимать
значения l= 0,1,2,…(n-1). Значение 1=0 соответствует круговой орбите. Энергетические состояния,
характеризующиеся различными значениями l, называют подуровнями. Значению l = 0 соответствует s-подуровень,
значению l=1 — р-подуровень, значению l = 2 — d-подуровень, значению l = 3 — f-подуровень.
Магнитное квантовое число т определяет пространственную ориентацию эллиптической орбиты. Оно
может принимать значения т = 0, ±1, ±2,…±l. Каждому квантовому числу l соответствует (2l + 1) по-разному
ориентированных орбит. При l = 1 возможны три взаимно-перпендикулярных р-орбиты; орбитальному квантовому
числу l = 2 соответствует пять возможных пространственных ориентации орбит, называемых d-орбитами;
квантовому числу l = 3 соответствует семь f-орбит.

9.

Спиновое квантовое число s определяет момент количества движения электрона вокруг собственной оси.
Вектор момента количества движения может быть параллелен или антипараллелен вектору орбитального момента.
Спин электрона равен половине постоянной Планка, поэтому он равен +0,5 или -0,5.
Определим число возможных энергетических состояний на любом из энергетических уровней. На первом
энергетическом уровне (n = 1) могут разместиться два электрона с противоположными спинами, что можно записать
в виде 1s2, где 1 — номер энергетического уровня, s — состояние электрона на этом уровне, 2 - количество
электронов в данном состоянии. На втором энергетическом уровне (n = 2) в s-состоянии могут находиться два
электрона (2s2), в р-состоянии — шесть электронов (2р6). На третьем энергетическом уровне (п = 3) в s-состоянии
могут находиться два электрона (3s2), в р-состоянии — шесть электронов (Зр6), в d-состоянии — десять электронов
(3d10) и т. д.
При рассмотрении структуры электронных оболочек конкретных атомов следует руководствоваться двумя
принципами:
• в атоме не может быть двух электронов с одинаковой комбинацией квантовых чисел;
• в нормальном (невозбужденном) состоянии электроны занимают квантовые состояния с наименьшей энергией.

10.

3. Основные понятия зонной теории
В изолированном атоме электроны способны занимать лишь дискретные энергетические уровни,
определяемые силами притяжения к ядру и силами отталкивания от других электронов. В твердом теле атомы
расположены настолько близко друг к другу, что между ними возникают новые силы взаимодействия — это силы
отталкивания между ядрами и между электронами соседних атомов и силы притяжения между всеми ядрами и всеми
электронами. Под действием этих сил энергетические состояния в атомах изменяются: энергия одних электронов
увеличивается, других — уменьшается. В результате вместо дискретных уровней изолированного атома образуются
энергетические зоны, состоящие из очень близко расположенных энергетических уровней, плотность которых
возрастает по мере удаления от краев зоны по параболическому закону, достигая максимума в середине зоны.
Механизм образования энергетических зон схематически показан на рис. 1.1. По мере сближения атомов
(уменьшения расстояний) сначала расщепляются самые высокие энергетические уровни, затем по мере сближения
атомов — более низкие.

11.

При сближении атомов на расстояние а0 образуется устойчивая кристаллическая структура, которой
соответствует энергетическая диаграмма, показанная в левой части рисунка. Разрешенные зоны отделены друг от
друга запрещенными зонами, в которых отсутствуют разрешенные уровни. Ширина разрешенных зон по мере
перемещения вверх по энергетической шкале возрастает, а ширина запрещенных зон соответственно уменьшается.
Во многих случаях может иметь место перекрытие разрешенных энергетических зон. Подобно энергетическим уровням в изолированных атомах энергетические зоны могут быть полностью заполненными электронами, частично
заполненными и свободными. Все зависит от структуры электронных оболочек изолированных атомов и
межатомных расстояний в кристалле. Внутренние оболочки изолированных атомов полностью заполнены
электронами, поэтому соответствующие им зоны также оказываются заполненными.
Самую верхнюю из зон, частично или полностью заполненную электронами, называют валентной зоной, а
ближайшую к ней незаполненную электронами — зоной проводимости (выше валентной зоны). Взаимное
положение этих зон зависит от структуры оболочек изолированных атомов и определяет большинство процессов в
твердом теле.
С точки зрения зонной теории все твердые тела можно подразделить на две основные группы: материалы, у
которых валентная зона перекрывается зоной проводимости, и материалы, у которых валентная зона и зона
проводимости разделены запрещенной зоной.
В первом случае незначительное внешнее энергетическое воздействие переводит электроны на более
высокие энергетические уровни, что обусловливает хорошую электропроводность материалов. Во втором случае
переходы на более высокие энергетические уровни связаны с необходимостью внешнего энергетического
воздействия, превышающего ширину запрещенной зоны. Материалы, в энергетической диаграмме которых
отсутствует запрещенная зона, относятся к категории проводников, материалы с узкой запрещенной зоной (менее 3
эВ) — к категории полупроводников и материалы с широкой запрещенной зоной (более 3 эВ) — к категории
диэлектриков.

12.

3. Собственные и примесные полупроводники
1. Собственными полупроводниками, или полупроводниками типа i (от англ. intrinsic — собственный), называют
полупроводники, кристаллическая решетка которых в идеальном случае не содержит примесных атомов другой
валентности.
В реальных условиях в кристаллической решетке полупроводника всегда существуют примеси, однако их
концентрация столь ничтожна, что ею можно пренебречь. Атомы в кристаллической решетке полупроводника
расположены упорядоченно на таких расстояниях друг от друга, что их внешние электронные оболочки
перекрываются, и у электронов соседних атомов появляются общие орбиты, посредством которых образуются
ковалентные связи. Если валентность атомов равна четырем, то вокруг каждого из атомов, помимо четырех
собственных, вращаются еще четыре «чужих» электрона, вследствие чего вокруг атомов образуются прочные
электронные оболочки, состоящие из восьми обобществленных валентных электронов, что иллюстрирует плоская
модель кристаллической решетки, показанная на рис. 1.41.
Рис.1.41

13.

Механизм собственной электропроводности
полупроводника
З.П.
Si
Si
Si
Si
Eп
Eз
Si
Si
Si
Si
Eв
В.З.
Дырка – единичный положительный заряд.
Собственная электрическая проводимость полупроводника
обусловлена появлением пары носителей заряда «электрондырка» при нагревании.
После
своего
образования
пары
«электрон-дырка»
существуют в течении некоторого времени, называемого
временем жизни носителей заряда.

14.

Электроны, находящиеся в зоне проводимости, обладают
довольно большой энергией и могут её изменять под
действием электрического поля, перемещаясь в объёме
полупроводника.
Этими электронами и определяется электропроводность
полупроводника.
Энергетические уровни валентной зоны обычно заполнены
электронами внешней оболочки атомов – внешних устойчивых
орбит (валентными электронами). При наличии свободных
уровней в валентной зоне электроны могут изменять свою
энергию под воздействием электрического поля. Если же все
уровни зоны заполнены, то валентные электроны не могут
принять участие в проявлении электропроводности
полупроводника.

15.

По мере нагревания полупроводника происходит
нарушение связей, т.е. некоторые валентные электроны
получают необходимую дополнительную энергию для
перехода в зону проводимости.
Такой переход соответствует выходу электрона из связи.
Появляющиеся свободные электроны будут принимать
участие в образовании тока в полупроводнике
(при приложении напряжения).

16.

Появление свободных уровней в валентной зоне
свидетельствует о том, что для валентных электронов
появляется возможность изменить свою энергию, а
следовательно, участвовать в процессе протекания
тока через полупроводник. С повышением температуры
возникает большее число свободных электронов
в зоне проводимости и вакантных уровней в валентной
зоне.
Вакантный энергетический уровень в валентной зоне и
соответственно свободную валентную связь называют
дыркой, которая является подвижным носителем
положительного заряда, равного по абсолютной величине
заряду электрона. Перемещение дырки соответствует
встречному перемещению валентного электрона (из связи
в связь). Движение дырки – это поочерёдная ионизация
валентных связей.

17.

Процесс образования свободного электрона и дырки
принято называть генерацией. Появление
электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне на
энергетической диаграмме представлено в виде кружков с
соответствующими знаками зарядом. Стрелкой обозначен
переход электрона из валентной зоны в зону проводимости.
Таким образом, за счёт термогенерации в собственном
полупроводнике, который принято обозначать буквой i,
образуется два типа подвижных носителей заряда:
свободные электроны n и дырки p, причём их количество
одинаково. Эти носители заряда называют собственными,
а электропроводность,
ими обусловленную, - собственной
электропроводностью полупроводника.

18.

В обычных условиях число переходов
электронов в зону проводимости и
обратно в кристаллах одинаково мало,
поэтому кристаллы полупроводников
легируют, т.е. добавляют примеси.
1тип примеси – пятивалентные
материалы(мышьяк As, сурьма ит.д.).
2 тип примеси –трехвалентные
материалы (индий In, галлий).

19.

В узлах кристаллической решетки арсенида галлия чередуются пятивалентные
атомы мышьяка и трехвалентные атомы галлия, вокруг которых также образуются электронные оболочки из восьми обобществленных электронов.
При сообщении кристаллической решетке некоторого дополнительного количества
энергии, например путем нагрева, электрон может покинуть ковалентную связь и
превратиться в свободный носитель электрического заряда. В результате ковалентная
связь становится дефектной, в ней образуется «вакантное» место, которое может занять
один из валентных электронов соседней связи. При этом вакантное место
перемещается к другому атому. Перемещение вакантного места внутри
кристаллической решетки принято рассматривать как перемещение некоторого
положительного заряда, называемого дыркой. Величина этого заряда равна заряду
электрона.
Тепловая генерация – это процесс образования свободных электронов и дырок под
воздействием тепла. Она характеризуется скоростью генерации G, определяющей
количество пар носителей заряда, генерируемых в единицу времени. Помимо тепловой
генерации возможна генерация под воздействием света или каких-либо других
энергетических воздействий.

20.

2. Примесные полупроводники – это полупроводники, кристаллическая решетка которых помимо
четырехвалентных атомов содержит атомы с валентностью, отличающейся от валентности основных атомов, и их
концентрация превышает собственную концентрацию носителей заряда.
Если валентность примесных атомов больше валентности основных атомов (в кристаллическую решетку кремния
введены пятивалентные атомы мышьяка), то пятый валентный электрон примесного атома оказывается незанятым в
ковалентной связи, то есть становится лишним (рис. 3) и легко отрывается от атома, становясь свободным. При этом
примесный атом оказывается ионизированным и приобретает положительный заряд. Такой полупроводник называют
электронным, или полупроводником типа п (от лат. negative — отрицательный), а примесные атомы называют
донорами.
Рис. 3

21.

Если в кристаллическую решетку кремния введены атомы трехвалентной примеси (например атомы
алюминия), то одна из ковалентных связей оказывается незаполненной (рис. 4). При незначительном тепловом
воздействии электрон одной из соседних связей может перейти в незаполненную связь, а на том месте, откуда
пришел электрон, возникает дырка. При этом примесный атом приобретает отрицательный заряд. Такой
полупроводник называют дырочным, или полупроводником типа р (от лат. positive — положительный), а
примесные атомы называют акцепторами.
Рис. 4
Рис. 5
С точки зрения зонной теории, при тепловой генерации происходит переход электронов из валентной зоны в зону
проводимости, а при рекомбинации — их возврат из зоны проводимости в валентную зону (рис. 5).

22.

Неравновесное состояние полупроводника
Неравновесное состояние полупроводника возникает под влиянием каких-либо внешних воздействий, в результате
которых концентрация носителей заряда в полупроводнике может измениться. Такими внешними воздействиями
могут быть облучение светом, ионизирующее облучение, воздействие сильного электрического поля, приводящее к
разрыву ковалентных связей, и ряд других.
В результате подобных воздействий в полупроводнике помимо равновесных носителей заряда, образующихся
вследствие ионизации примесных атомов и тепловой генерации, появляются дополнительные носители заряда,
которые называют неравновесными, или избыточными. В полупроводниковых приборах неравновесное состояние в
большинстве случаев возникает при введении в полупроводник (или выведении из него) дополнительных носителей
заряда через электронно-дырочный переход. Введение через электронно-дырочный переход дополнительных
носителей заряда называют инжекцией, а выведение — экстракцией.

23.

Темы докладов по пройденному материалу:
1.
2.
3.
4.
5.
Электрофизические свойства радиоматериалов (проводники, диэлектрики и полупроводники.).
Структура электронных оболочек атомов.
Основные понятия зонной теории.
Собственные полупроводники.
Примесные полупроводники.
Доклад готовится к следующему занятию. Выступающий с докладом назначается старостой группы или по желанию.
Форма доклада: Презентация PowerPoint.

24.

Спасибо за внимание !