Podział materiałów ze względu na ich rezystywność

Np. miedź, doskonały przewodnik, ma rezystywność 10^-8  m; mika bardzo dobry izolator, ma rezystywność ok. 10¹⁴  m; czysty krzem, najpowszechniej stosowany materiał półprzewodnikowy ma rezystywność ok. 2 10³  m.

Podstawowe właściwości różniące w sposób jakościowy półprzewodniki

(i dielektryki) od przewodników są następujące:

1. właściwości elektryczne półprzewodników, przede wszystkim ich rezystywność, silnie zależą od znikomo małych ilości zanieczyszczeń materiału (zanieczyszczenia wprowadzane celowo nazywa się domieszkami,a wprowadzanie tych zanieczyszczeń, tj. domieszkowanie jest podstawowym procesem technologii półprzewodników);

2. na rezystywność półprzewodników duży wpływ ma różnego rodzaju

promieniowanie zewnętrzne;

3. temperaturowy współczynnik rezystancji ma duże ujemne wartości w półprzewodnikach, podczas gdy w przewodnikach ma małe i na ogół dodatnie wartości.

Przyjęte umownie kryterium wyznaczające granicę między półprzewodnikami a dielektrykami przyjmuje się na ogół wartość tej energii równą 2eV (1eV=1,60210^-19J).

Struktury atomów germanu i krzemu

Liczby elektronów na poszczególnych powłokach podlegają następującemu ogólnemu prawu: K (1²  2 = 2) , L (2²  2 = 8) , M (3²  2 = 18) itd.

Zatem krzem jako czternasty (14 protonów i tyleż elektronów) pierwiastek w układzie Mendelejewa ma następującą strukturę: K - 2

L - 8

M - 4

Zaś german jako 32. pierwiastek ma strukturę: K - 2

L - 8

M - 18

Monokryształ (a), polikryształ (b), struktura bezpostaciowa (c).

W fizyce ciała stałego rozróżnia się następujące rodzaje wiązań:

• jonowe (heteropolarne),

• atomowe (homopolarne lub kowalencyjne),

• metaliczne,

• molekularne,

• wodorowe

Komórka elementarna sieci krystalicznej typy diamentu ( a ) oraz czworościenny układ sąsiadujących ze sobą elektronów ( b).

Płaski model wiązań kowalencyjnych atomu krzemu z czterema atomami sąsiednimi.

Dyskretne poziomy energetyczne elektronów w atomie krzemu.

Za bazę odliczania energii przyjęto poziom energetyczny elektronu „nieskończenie” odległego od jądra (chodzi o odległość przy której zanika oddziaływanie elektrostatyczne) - ten poziom energetyczny jest nazywany poziomem jonizacji.

Najwyższy poziom zajęty jest nazywany poziomem walencyjnym, a kolejny nie zajęty poziom o większej energii nosi nazwę poziomu wzbudzenia.

Zgodnie z ogólnymi prawami materii elektrony w atomie dążą do zajęcia jak najniższych poziomów energetycznych. Jeżeli wszystkie elektrony w atomie zajmują najniższe z możliwych poziomów energetycznych to mówi się, że atom jest w stanie normalnym. Jeżeli pod wpływem jakiegoś bodźca energetycznego elektron lub kilka elektronów zwiększa swą energię i zajmuje poziom wzbudzenia, to atom znajduje się w stanie wzbudzania.

Zasada Pauliego mówi, że w atomie nie ma dwóch identycznych elektronów w sensie identyczności ich stanu energetycznego.

Energetyczny model pasmowy ciała stałego ( a ) oraz jego uproszczona ilustracja ( b ).

W zbiorze wzajemnie oddziałujących na siebie atomów nie ma dwóch elektronów o identycznych stanach energetycznych.

Taki właśnie przypadek istnieje w krysztale półprzewodnika, gdyż każdy atom w sieci krystalicznej jest powiązany z sąsiednimi atomami przez oddziaływania kowalencyjne. Stąd struktura energetyczna kryształu będzie inna niż dla pojedynczego atomu, gdyż z pojedynczych poszczególnych poziomów energetycznych odosobnionego atomu utworzy się tyle różnych poziomów ile jest atomów w krysztale. W tej sytuacji zwykło się mówić o rozszczepieniu poziomu energetycznego.

Porównanie energetycznego modelu pasmowego dla metalu ( a ) , półprzewodnika ( b ) i dielektryka ( c ).

Liczba elektronów w półprzewodniku samoistnym jest zatem równa liczbie dziur.

n_i = p_i gdzie: n = koncentracja elektronów

p = koncentracja dziur

i = indeks oznaczający półprzewodnik samoistny (intrinsic -)

Istnieje następująca zależność funkcyjna dla koncentracji elektronów i dziur:

gdzie:

W_g - szerokość pasma zabronionego ,

k - stała Boltzmanna ,

T - temperatura bezwzględna,

DOMIESZKI DONOROWE

Są to głównie pierwiastki piątej grupy tablicy okresowej (pierwiastki, których atomy mają pięć elektronów walencyjnych). W krzemie najczęściej jest stosowany fosfor, rzadziej arsen i antymon.

Półprzewodnik typu n.

Atom domieszki donorowej ( fosforu ) w węźle sieci krystalicznej krzemu :

model wiązań kowalencyjnych ( a ) oraz energetyczny model pasmowy ( b )

DOMIESZKI AKCEPTOROWE

Są to głównie pierwiastki trzeciej grupy tablicy okresowej (pierwiastki, których atomy mają trzy elektrony walencyjne) w krzemie najczęściej jest stosowany bor, rzadziej aluminium, ind, gal.

Półprzewodnik typu p.

Atom domieszki akceptorowej ( boru) w węźle sieci krystalicznej krzemu :

model wiązań kowalencyjnych ( a ) oraz energetyczny model pasmowy ( b )

Liczba elektronów w półprzewodniku samoistnym jest zatem równa liczbie dziur.

n_i = p_i gdzie: n = koncentracja elektronów

p = koncentracja dziur

i = indeks oznaczający półprzewodnik samoistny (intrinsic -)

Istnieje następująca zależność funkcyjna dla koncentracji elektronów i dziur:

gdzie:

W_g - szerokość pasma zabronionego ,

k - stała Boltzmanna ,

T - temperatura bezwzględna,

---