Полупроводници

Физически свойства на полупроводниците
1.1 Кратки исторически сведения
Полупроводниците представляват обширна група вещества, които по своята електрическа1.1 Кратки исторически сведения
Полупроводниците представляват обширна група вещества, които по своята електр
и
ческа проводимосПолупроводниците предст
авляват обширна група вещества,
които по своята електрическа проводимост заемат средно място между проводниците и изолаторите. Към тях спадат силиций, германий, селен, меден окис, кадмиев сулфит, силициев карбид, галиев арсенид, индиев антимонид, оловен сулфид и др.
Първите изследвания върху полупроводниците са извършени от Фарадей (1833г.). Той установява, че сребърни сулфид има отрицателен температурен коефициент на електрическото си съпротивление. През 1839 г. Бекерел (дядото на Анри Бекерел откривателят на естествената радиоактивност) забелязва, че светлината променя електрическия потенциал на селеновата пластинка, потопена в електролит, а през 1873 г. Смит установява, че съпротивлението на селена намалява

при осветяване. В радиотехниката полупроводниците намират приложение преди електронните лампи – още през 1900 г. откривателят на радиото А. С. Попов използва кристален детектор, състоящ се от графитна пластинка и метална игла. Откриването обаче на лампови
я
т диод от Флеминг (1904 г.) и поставянето на трети електрод решетка от Ли де Форест (1907 г.)довеждат до бързо развитие на електронните лампи и действието на кПървите изследвания върху полупроводниците са извършени от Фарадей (1833г.). Той установява, че сребърни сулфид има отрицателен температурен коефициент на електрическото си съпротивление. През 1839 г. Бекерел (дядото на Анри Бекерел откривателят на естествената радиоактивност) забелязва, че светлината променя електрическия потенциал на селеновата пластинка, потопена в електролит, а през 1873 г. Смит установява, че съпротивлението на селена намалява при осветяване. В радиотехниката полупроводниците намират приложение преди електро
н
нит
е
лампи – още пр
е
з 1900 г. откри
вателят на радиото А. С. Попов използва кристален детектор, състоящ се от графитна пластинка и метална игла. Откриването обаче на ламповият диод от Флеминг (1904 г.) и поставянето на трети електрод решетка от Ли д
е
Форест (1
907 г.)довеждат до бързо развитие на електронните лампи и действието на кристалния детектор остава необяснено. През 1922 г. Лосев установя
в
а, че с кристалния детектор могат да се усилват и генерират електрически трептения, но и това откритие е забравено. Около 1927 г. се появяват селеновите и медноокисните токоизправители, които намират широко приложен
и
е в токозахранващите
у
стройства. По-късно при конструиране на радиолокационните апаратури ламповите диоди се оказват непригодни за свръхвисоките честоти поради зна
чителния си вътрешен капац
итет (2-4 pF) и са заменени с кристални диоди, чийто капацитет е по-малък. Успоредно с това науката за кристалния строеж на веществото се развива твърде бързо и през 1948 г. Джон Бардин и Уолтър Братейн конструират първия точков полупроводников диод, наречен транзистор, а през следващата година В. Шокли разработва теорията на електронно-дупчестия преход, за което тримата учени получават Нобелова награда.
Още първите полупроводникови елементи, макар и несъвършени имат редица преимущества пред ламповите. Поради това към тях насочват вниманието си голям брой специалисти от различни народности. В 1953 г. Крьомер създава дрейфовия транзистор, 1954 г. са създадени мощните сили
ц
иеви диоди, 1960 г.

планарно-епитаксиалната технология, през 1964 г. се появяват първите интегрални схеми.
1.2. Строеж на веществото
Всеки атом се състои от ядро с пол
о
Известно е, че електрическия ток представлява насочено движение на свободни токоносители (заредени частици. В зависимост от наличността на токоносители и от условията за тяхното насочено движение веществата се разделят надиелектрици (изолатори) и проводници.
В ди
е
лектриците практически липсват свободни
токоносители (фиг. 1.5 а) и пор
ади това при полагане на електрическо поле през тях не протича ток.
При проводниците картината е по-друга. Почти всички метали имат кристален строеж. Тяхната кристална решетка е изградена от положително йони, които се намират във възлите и. Между йоните имат голям брой свободни електрони, които вследствие на топлинната енергия се движат хаотично в най-различни посоки (фиг. 1.5 б). Според кинетичната теория средната кинетична енергия на свободните електрони е пропорционална на абсолютната температура на проводника:
Където m е масата на електрона
r0 – средната топлинна скорост на електро
н
ите;
k – коВ диелектриците практически липсват свободни токоносители (фиг. 1.5 а) и поради това при полагане на електрическо поле през тях не протича ток.
При проводниците картината е по-друга. Почти всички метали имат кристален строеж. Тяхната кристална
р
ешетка е изградена от положително йони, които се намират във възлите и. Между йоните имат голям брой свободни електрони, които вследствие на топлинната енергия се движат хаотично в най-различни посоки (фиг. 1.5 б). Според кинетичната теория средната кинетична енергия на свободните електрони е пропорционална на абсолютната темпеПри проводниците картината е по-друга. Почти всички метали имат кристален строеж. Тяхната кристална решетка е изградена от положително йони, които се намират във възлите и. Между йоните имат голям брой свободни електрони, които вследствие на топлинната енергия се движат хаотично в най-различни посоки (фиг. 1.5 б). Според кинетичната теория средната кинетична енер
г
ия
н
а свободните ел
е
ктрони е пропор
ционална на абсолютната температура на проводника:
Където m е масата на електрона
r0 – средната топлинна скорост на ел
е
ктроните;
k – константата на Белцман;
Т – абсолютната температура на проводника.
Оттук следва, че с повишаване на температурата кинетичната енергия
н
а елементарните частици нараства, а при абсолютната нула (-273) хаотичните топлинни движения на тези частици намаляват.
Ф
иг. 1.5
От (1.1.) лес
н
о може да се изчисли, че при стайна температура средната топлинна скорост на свободните електрони е r0 = 1.1 * 107 cm/s, т.е. около 100 km/s.
Обръщаме внимание, че топ
линното движение на свободните електрони в проводника е хаотично, тъй като те се удрят като помежду си, така и в трептящите, но не напускащи възли на кристалната решетка положителни йони. Също така е важно да се разбере, че при определена температура едни частици трептят по-интензивно, а други по-слабо. Именно поради това се въвеждат понятията средна скорост, средна топлинна енергия и др. Ако проследим хаотичното движение на един свободен електрон, ще видим, че траекторията е зигзагообразна с различно дълги праволинейни участъци между два поредни удара, които се наричат свободен пробег. Изчислява се, че средната дължина на един п INCLUDEPICTURE "http://vladilovech.narod
.
ru/electronic/1/Ima
g
e24.gif" \* MERGEFORMATINET 

Където m е масата на електрона
r0 – средната топлинна скорост на електроните;
k – константата на Белцман;
Т – абсол
ю
Реципрочната стойност на специфичното съпротивление се нарича специфична проводимост.
Тя се измерва в сименс/метър и при различните вещества има различни стойности.
1.6
.
Концентрация и подвижност на токоносит
елите
Концентрацията на токоноси
телите  INCLUDEPICTURE "http://vladilovech.narod.ru/electronic/1/Image29.gif" \* MERGEFORMATINET 

Тя се измерва в сименс/метър и при различните вещества има различни стойности.
1.6. Концентрация и подвижност на токоносителите
Концентрацията на токоносителите n. Това е броят N на свободните токоносители в единица обем V от веществото.
1.6. Концентрация и подвижност на токоносителите
Концентрацията на токоносителите n. Това е броят N на свободните токоносители в единица обем V от веществото.
3
0.gif" \* M1.6. Концентрация и подвижност на токоносителите
Концентрацията на токоносителите n. Това е броят N на свободните токоносители в единица обем V от веществото.

на свободните токоносители в единица обем V от веществото.
Фиг. 1.6
Понеже N е безразмерно число, размерността на концентрацията е m-3 . Очевидно че между тези единици съществува зависимостта:
Фиг. 1.6
Понеже N е безразмерно число, размерността на концентрацията е m-3 . Очевидно че между тези единици съществу
в
а з
а
висимостта:
N
CLUDEPICTURE "h
ttp://vladilovech.narod.ru/electronФиг. 1.6
Понеже N е безразмерно число, размерността на кон
ц
ентрацията
е m-3 . Очевидно че между тези единици съществува зависимостта:
*
MERGEFORMATINET 

Колкото концентрацията на свободните токоносители (при равни дрПонеже N е безразмерно число, размерността на концентрацията е m-3 . Очевидно че между тези единици съществува зависимостта:
U
DEPICTURE "http://vla
d
ilovech.narod.ru/electronic/1/Image32.gif" \* MERGEFORMATINET 

Колкото концентрацията на свободните токоносители (при равни други условия)
е по-голяма, толкова даде
ното вещество е по-добър проводник. Важно е да се запомни, че при някой вещества (например металите) концентрацията не зависи от температурата, докато при други (например полупр INCLUDEPICTURE "http://vladilovech.narod.ru/electronic/1/Image32.gif" \* MERGEFORMATINET 

Колкото концентрацията на свободните токоносители (при равни други условия) е по-голяма, толкова даденото вещество е по-добър проводник. Важно е да се запомни, че при някой вещества (например металите) концентрацията не зависи от температурата, докато при други (например полупроводнКолкото концентрацията на свободните токоносители (при равни други условия) е по-голяма, толкова даденото вещество е по-добъ
р
проводник. Важно е

да се запомни, че при някой вещества (например металите) концентрацията не зависи от температурата, докато при други (например полупроводниците) тя

Концентрационния пад n / x изразява промяната на концентрацията на частиците, отнесена за единица дължина по посока на дифундирането. Знакът минус във формулата се поставя, защото с увеличаване на разстояние х (фиг. 1.7) концентрацията n намалява.
Коефициентът
н
а дифузия е величина, тясно свързана ка
кто с подвижността на частиците,
така и с температурата на веществото. Връзката между тях се дава с формулата на Айнщайн:
където m e подвижността на частиците;
к - константа на Болцман;
Т – абсолютната температура;
q – товарът на електрона;
Ако по някакъв начин причината концентрация на токоносителите в единия край на кристала е по-голяма от другия (фиг. 1.7), вследствие на дифузията ще се появи насочено движение на токоносители, т.е. ще протече дифузионен ток. Доковава се, че плътността на дифузионния ток (т.е. стойността на тока през единица сечение) се дава с формулата:
е
величина, тясно свързана както с подвижността на частиците, така и с температурата на веществото. Връзката между тях се дава с формулата на Айнщайн:
к