Jakub Jończyk ED. 3.5
Półprzewodniki - podstawy
W przyrodzie istnieje grupa pierwiastków nie będących przewodnikami elektrycznymi, jednocześnie wykazujących mniejszą opornością od izolatorów. W pewnych warunkach zachowują się one jak dielektryki, a w innych jak przewodniki. Tę grupę pierwiastków nazywamy półprzewodnikami. Najbardziej typowymi półprzewodnikami są: krzem, german, arsenek galu lub antymonek galu.
Ze względu na typ przewodnictwa wyróżnia się półprzewodniki typu n, zwane nadmiarowymi (występuje tu przewodnictwo elektronowe), oraz typu p-inaczej niedomiarowe (występuje tu przewodnictwo dziurowe w paśmie walencyjnym.
Według zasad fizyki każdy pierwiastek obowiązuje tzw. zakaz Pauliego, zgodnie z którym dwa fermiony nie mogą jednocześnie znajdować się w tym samym stanie kwantowym (tj. mieć takich samych wszystkich liczb kwantowych. Z tego wynika, że każdy elektron musi znajdować się na innym poziomie energetycznym.
Rys 1.
Na zakazie Pauliego opiera się pasmowa teoria budowy ciał stałych, a rozwiązania odpowiednich równań teorii pasmowej prowadzą do wniosku, że dopuszczalne poziomy energetyczne elektronów zlewają się w tzw. pasma energetyczne (stąd nazwa teorii). Pasma te noszą nazwę pasm dozwolonych (mogą być zapełnione elektronami lub puste), rozdzielonych przerwami energetycznymi o nazwie pasm wzbronionych (przebywanie w nich elektronów w idealnym krysztale jest niemożliwe, w rzeczywistych kryształach, na skutek defektów sieci krystalicznej, a w szczególności domieszek obcych atomów, istnieją elektrony w paśmie wzbronionym, które określa się wówczas pasmem domieszkowym)-rys 1.
Szczególnymi pasmami dozwolonymi są: pasmo walencyjne (najwyżej położone z całkowicie zapełnionych pasm dozwolonych) i pasmo przewodnictwa (niezapełnione, tj. puste, lub tylko częściowo zapełnione pasmo dozwolone znajdujące się ponad pasmem walencyjnym). Szerokość pasma wzbronionego rozdzielającego te dwa pasma odpowiada za własności elektryczne materiału. W elektronice należy się skupić na pasmach: walencyjnym oraz przewodnictwa.
Możemy zastosować kolejne kryterium podziału półprzewodników- na czyste i domieszkowane.
Półprzewodniki czyste ze względu na budowę strukturalną są podobne do dielektryków: występuje w nich słabe przewodnictwo prądu elektrycznego, ze względu na fakt, że tylko niewielka ilość elektronów posiada energię wystarczającą na pokonanie sił wiążących je w sieci. Elektron posiadający wystarczającą energię wydostaje się z się z sieci, miejsce w którym się znajdował nazywane jest dziurą, posiada ładunek dodatni i znajduje się w paśmie walencyjnym. Generacji (wyrwaniu) jednego elektronu towarzyszy generacja jednej dziury, więc łączny ładunek elektryczny pozostaje zerowy. Jeżeli poruszający się elektron, w wyniku zderzeń, wytraci swoją energię i znajdzie się obok dziury, zostaje przez nią przechwycony. Zjawisko tego typu nosi nazwę rekombinacji.
Po wprowadzeniu do półprzewodnika odpowiedniej domieszki otrzymuje się znaczne zwiększenie szybkości generacji nośników. Istnieją dwa typy domieszkowania:
akceptorowe - wprowadzenie pierwiastków III grupy (glin, gal, ind). Posiadają one trzy elektrony walencyjne, więc jeden elektron w sąsiednim atomie pozostaje niezwiązany. Powstaje ruchoma dziura w paśmie walencyjnym i nieruchomy elektron na poziomie akceptorowym. W półprzewodniku nośnikiem większościowym są dziury w paśmie akceptorowym, a w paśmie przewodzenia funkcje tę pełnią elektrony.
Rys 2.
donorowe: polega na wprowadzeniu niewielkiej ilości pierwiastka V grupy (arsen, antymon, bizmut). Pierwiastki te posiadają po pięć elektronów walencyjnych, z których tylko cztery mogą być użyte w wiązaniu z krzemem. W modelu pasmowym odpowiada to powstaniu dodatkowego poziomu donorowego położonego blisko pasma przewodnictwa. W półprzewodniku tym znajduje się nadmiar swobodnych elektronów, taka sama ilość nieruchomych dziur oraz niewielka liczba ruchomych dziur w paśmie donorowym.