Чисті напівпровідники
Напівпровідникові матеріали займають проміжне місце з електропровідності між провідниками та ізоляторами. Питомий опір таких добрих провідників як срібло, мідь, залізо становить 10 -6 …10 -4 ом·см. Хороші ізолятори: кварц, слюда, каучук, папір - мають питомий опір від 1018 до 1010 ом · див. Проміжок питомих опорів 10 6 …10 -3 ом·см займають напівпровідники.
Для виготовлення сучасних напівпровідникових приладів та особливо інтегральних мікросхем використовуються кристали чистих кремнію та германію. Рівномірні кристалічні грати у вигляді тетраедрів цих матеріалів, атоми яких мають чотири валентні електрони на зовнішній оболонці, забезпечують стійку структуру: сусідні атоми кристала попарно об'єднуються, так що кожен атом являє собою стійку структуру з вісьмома електронами на зовнішній оболонці, в яку входять чотири сусідні атоми. . На рис. 1.1. показано спрощену плоску модель з'єднання атомів у кристалі чистого (бездомісного) кремнію, де кожна лінія між атомами позначає ковалентний зв'язок. Через нерозрізненість окремих електронів будь-який валентний електрон виявляється однаковою мірою всім атомам кристала.
Така структура при температурі абсолютного нуля є ізолятором, оскільки вільних електронів, що зумовлюють електропровідність, у ній немає. Однак, при збільшенні температури навіть такі міцні зв'язки можуть порушитись, що призведе до появи, з одного боку, вільних електронів, а з іншого – до так званих «дірок» - місць у ґратах, що залишили електрони. Вільний електрон може зайняти дірку (відбудеться рекомбінація). Дірку може зайняти найближчий зв'язаний електрон, внаслідок чоговже на його колишньому місці утворюється нова дірка. Будь-який перехід електрона від одного атома до іншого супроводжується одночасно зустрічним переходом дірки. Якщо електрон має негативний заряд, то дірка умовно приписується позитивний заряд такої ж величини, як заряд електрона. Дірка переміщається (рухається) по кристалу, також як електрон.
Процес утворення під впливом температури пари електрон-дірка називають термогенерацією. Таким чином, у чистому напівпровіднику одночасно хаотично блукають електрони та дірки, причому їх кількість однакова, а при збільшенні температури це число збільшується. При певній температурі існує термодинамічна рівновага між генерацією та рекомбінацією, внаслідок чого в напівпровіднику встановлюється деяка, цілком певна концентрація вільних носіїв заряду. Середній час існування пари електрон-дірка називаютьчасом життя носіївзаряду, а відстань L, пройдена часткою за час її життя -дифузійною довжиною. Число вільних носіїв заряду (електронів ni та дірок pi) у чистому 1 напівпровіднику визначається співвідношенням
де - Енергія активації, Т - Абсолютна температура, k - Постійна Больцмана.
За відсутності зовнішнього електричного поля носії заряду рухаються у напівпровіднику хаотично. Цей рух називаютьдифузією. Дифузійний рух зарядів зумовлений нерівномірністю концентрації зарядів та тепловою енергією.
Якщо тепер до кристала прикласти зовнішню напругу, то може виникнути невеликий струм, обумовлений дрейфом електронів і дірок, причому швидкості дрейфу електрона і дірки різні, вони залежать від їх рухливості і напруженості електричного поля. Загалом кількість вільних електронів та дірок незначна.Наприклад, в кристалі германію при кімнатній температурі є тільки 2 вільні електрони на 10 10 атомів, але в 1 грамі германію є 10 22 атомів. Таким чином, в одному грамі міститься 2 10 12 вільних електронів, що і створює власну провідність чистого напівпровідника. Однак для створення струму в один ампер потрібно 6 10 18 електронів в секунду! Тому струм чистого напівпровідника дуже малий.
Термогенерація вільних носіїв, їх дрейф, дифузія і рекомбінація дуже важливі для розуміння процесів, що відбуваються в напівпровідниках, але вони не вичерпують всього різноманіття явищ, що відбуваються в напівпровіднику. Багато питань кількісного аналізу роботи напівпровідників базуються на зонній теорії твердого тіла 2 .
1 Параметри чистого напівпровідника позначаються зазвичай із індексом i від intrinsic – істинний. 2 Ці питання докладно розглядаються у курсі «Фізичні засади мікросхемотехніки».