DSCF6609

174

E-4. Charakterystyki statyczne diody złączowej i tranzystora warstwowego

1. Wstęp

Energetyczne poziomy N jednakowych atomów, znajdujących się w dużych wzajemnych odległościach, są takie same, jak poziomy każdego atomu z osobna. Mówimy w takim przypadku o poziomach zdegenerowanych (zwyrodniałych). Dla N atomów mamy do czynienia z N-krotnym zwyrodnieniem. Po zbliżeniu atomów (np. w siatce krystalicznej) zwrodnienie znika, tzn. poziomy ulegają rozszczepieniu w wyniku oddziaływania wzajemnego powłok elektronowych. Ponieważ kryształy mogą się składać z wielkiej liczby atomów (rzędu 10²³), położonych w małych odległościach, a „rozrzut” energetyczny poziomów wynosi najwyżej kilka elektronowoltów, więc po rozszczepieniu na IV = 10²³ podpoziomów, odległość pomiędzy sąsiednimi okaże się aż 10¹³ razy mniejsza od energii drgań cieplnych, odpowiadających najniższym osiąganym obecnie temperaturom. Widać więc, że rozszczepione poziomy tworzą w praktyce ciągłe pasmo energii. Zgodnie z teorią pasmową ciała stałego, poziomy energetyczne leżą w pasmach nazywanych dozwolonymi, rozdzielonych przerwą energii wzbronionych. Dolne pasmo, zwane walencyjnym, tworzą elektrony walencyjne atomów. Pasmo wyższe nazywa się pasmem przewodnictwa, ponieważ zajmujące je elektrony są prawie swobodne i mogą uczestniczyć w przewodzeniu prądu. Przewodzenie prądu elektrycznego związane jest ze zmianą energii nośników prądu. W naszym modelu wzrost energii elektronu pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego związany jest z przejściem na wyższy poziom w danym paśmie, a jeśli wszystkie stany są już obsadzone - z przejściem do wyższego pasma. W przypadku metali pasma walencyjne i przewodnictwa częściowo się pokrywają, z czym związane jest dobre przewodnictwo elektryczne.

W izolatorach szerokość przerwy energetycznej jest dość duża, wynosi zwykle kilka elektronowoltów, a pasmo przewodnictwa jest puste. Możliwe jest także występowanie całkowicie zapełnionego pasma przewodnictwa, co wyklucza przejście doń elektronów z pasma walencyjnego. Pośrednią klasę pomiędzy dobrymi przewodnikami elektryczności i dobrymi izolatorami tworzą półprzewodniki. Oporność półprzewodników zawiera się w granicach 10“² Om <p < 10¹⁰ Om. I tak np. czysty chemicznie german ma w temp. 300 K opór właściwy 10⁴ Om.

, półprzewodniki samoistne

W półprzewodniku samoistnym pasmo walencyjne jest całkowicie wypeł-^ a pasmo przewodnictwa puste, podobnie jak w przypadku dielektryka, jjigsza jest jednak szerokość przerwy energetycznej (0,67 eV dla germanu, ll!eV dla krzemu). Liczba elektronów w paśmie przewodnictwa jest juporcjonalna do czynnika exp ( — AE/2kT), gdzie AE oznacza szerokość jteiwy energii wzbronionych, k — stałą Boltzmanna, T - temperaturę jawzględną. W temperaturze pokojowej czynnik wykładniczy jest niewielki [fs 0,025 eV), jednak pewna część elektronów uzyskuje energie umożliwiające spicie do pasma przewodnictwa. W wyniku tego procesu w paśmie nlencyjnym pozostają stany nieobsadzone, tzw. „dziury”, które również iwstniczą w procesie przewodzenia prądu i mogą być traktowane jak cośniki obdarzone ładunkiem dodatnim. Dla czystych półprzewodników [dba elektronów jest prawie równa liczbie dziur. Ostatecznie więc przewod-tość jest proporcjonalna do czynnika exp (— AE/kT) i bardzo szybko sarnia się z temperaturą. Półprzewodniki samoistne bardzo trudno jest otrzymać ze względu na wymagany stopień czystości, nie mają zresztą tak óiiego znaczenia praktycznego jak półprzewodniki domieszkowe.

1 Półprzewodniki domieszkowe

Rozpatrzmy zmiany własności typowego półprzewodnika, germanu, posiadającego cztery elektrony walencyjne, po wprowadzeniu doń domieszek pierwiastka pięciowartościowego, np. arsenu, fosforu lub antymonu. Ponieważ bidy atom germanu wnosi do siatki krystalicznej cztery elektrony walencyjne, słom np. arsenu może zająć jego miejsce w węźle, jednak piąty elektron pozostanie wówczas słabo związany. Występuje tutaj pewne podobieństwo io atomu wodoru, przy czym rolę protonu spełnia pojedynczo naładowany jpit arsenu, a elektronem jest piąty, nadliczbowy elektron. Ze względu tdoak na ekranujące działanie czterech pozostałych elektronów, energia wiązania jest ok. 100-krotnie mniejsza niż w przypadku wodoru - 0,013 eV & arsenu w germanie i 0,049 eV w krzemie. Dodatkowe poziomy energetyczne uniesione przez jon arsenu leżą w pobliżu pasma przewodnictwa (rys. 54).

Niewielka odległość od pasma przewodnictwa może być w temperaturze pokojowej pokonana przez znacznie większą liczbę elektronów niż to byłoby możliwe w przypadku przewodnictwa samoistnego, oczywiście jeśli tylko ioncentracja domieszki jest wystarczająco duża. Domieszki oddające elektrony jio dyspozycji” półprzewodnika nazywa się donorami (dono - podarować), i półprzewodnik opisanego wyżej typu, półprzewodnikiem typu n. Litera n