Основные параметры полупроводников

3.3.1 Ширина запрещенной зоны - это энергия, которую необходи­мо сообщить собственному валентному электрону, чтобы он стал сво­бодным носителем заряда, то есть энергия разрыва собственной ковалентной связи. Чем шире запрещенная зона ПП, тем больше верхний предел рабочих температур приборов на основе этого ПП (таблица 3.1) и тем больше удельное сопротивление ПП.

Таблица 3.1

Полупроводник	Обозначение	ΔЕ, эВ	Tmax, ºC
Германий	Ge	0,72	80-100
Кремний	Si	1,12	180-200
Арсенид галлия	GaAs	1,45	350
Фосфид галлия	GaP	2,24	500-600
Карбид кремния	SiC	2,8-3,1	700

3.3.2 Удельное электрическое сопротивление - параметр, характеризующий способность материала проводить электрический ток:

                                    ρ = 1/neμ                                       (3.1)

где n - концентрация носителей тока;

             е - заряд носителей тока;

             μ - подвижность носителей тока.

У ПП ρ=(10^-6÷10⁸)Ом∙м. Удельное электросопротивление лю­бого ПП можно изменять в широких пределах, варьируя концентрацией донорных и акцепторных примесей (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4

3.3.3 Подвижность носителей заряда - отношение средней, установившейся скорости направленного движения носителей заряда к на­пряженности электрического поля. Различают подвижность электронов μ_n и дырок μ_р, отсюда удельная электропроводимость собственного ПП

                        σ_i = neμ_n + epμ_р = en_i(μ_n + μ_р)        (3.2)

так как в собственном ПП n=p=n_i.

Чем больше подвижность, тем больше скорость движения носителей и тем выше быстродействие ПП прибора, т.е. выше верхний предел рабочих частот ПП диодов, транзисторов и интегральных микросхем

3.3.4 Время жизни неравновесных носителей заряда - это время, за которое концентрация этих носителей уменьшится в "e" раз (τ) ("e" - основание натурального логарифма 2,72).

3.3.5     Диффузионная длина неравновесных носителей заряда – это среднее расстояние L, на которое успевает переместиться носитель заряда за время жизни τ. Для импульсных ПП диодов исполь­зуются ПП с малыми значениями τ и L. Обычно такие ПП легиру­ют амфотерными примесями, которые создают глубокие энергетические уровни. Эти уровни становятся рекомбинационными ловушками и снижают τ и L. Например введение золота в германий позволяет до­вести τ до 1 не. Основные параметры используемых ПП приведены в таблице 3.2.

3.3.6.    Концентрация носителей заряда.

Концентрация носителей заряда в ПП обычно на 5-7 порядков мень­ше, чем в металлах, и примерно настолько же больше, чем в диэлект­риках. Изменение концентрации носителей в ПП приводит к изменению его электропроводности.

Концентрация носителей заряда n_i и p_i- соответственно электро­нов и дырок в собственном ПП является фундаментальным параметром и рассчитывается, исходя из эффективных масс электронов и дырок, ширины запрещенной зоны и температуры по уравнению

                                    n_i = p_i = (N_CN_V)^1/2e^-ΔE/2KT               (3.3)

где N_C и N_V - множители, мало зависящие от температуры, но учи­тывающие эффективные массы соответственно электронов и дырок; ΔЕ-ширина запрещенной зоны; К - постоянная Больцмана; Т - температу­ра.

При постоянной температуре чем больше ширина запрещенной зоны, тем ниже собственная концентрация носителей.

Концентрация носителей заряда в примесном ПП зависит от уровня легирования ПП. Различные области ИМС имеют различные уровни кон­центрации примеси, что отражено на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5

Концентрация основных носителей заряда в примесном ПП равна концентрации примесных атомов N, поскольку в рабочем диапазоне практически все атомы примеси ионизированы, и собственная концент­рация ni=pi- существенно меньше концентрации примеси.

 

 

Таблица 3.2 – Физические параметры ПП (Т=300К)

ПП	Плот-ность Мг/м³	Темпе-ратура Плавле-ния, °С	Температур-ный Коэффи-циент Линейно-го Расши-рения αе106,К-I	Ширина Запре-щенной зоны ∆Е, эВ	Подвижность µ,м²/(В.с)
					Элект-ронов	Ды-рок
Ge Si SiC GaP InP GaAs InAs InSb ZnS CdS ZnGe CdSe ZnTe CdTe	5,43 2,33 3,22 4,07 4,78 5,32 5,67 5,78 4,09 4,82 5,42 5,81 6,34 5,86	937 1415 2205 1467 1070 1238 942 525 1020* 1750 1520 1264 1239 1041	5,8 2,3 - 4,7 4,6 5,4 4,7 4,9 - 5,7 1,9 - 8,3 4,0	0,66 1,12 3,02 2,26 1,35 1,43 0,36 0,18 3,67 2,53 2,73 1,85 2,23 1,51	0,39 0,14 0,033 0,019 0,46 0,95 3,3 7,8 - 0,034 0,026 0,072 0,053 0,12	0,19 0,05 0,06 0,012 0,015 0,045 0,046 0,075 - 0,011 0,015 0,075 0,003 0,006

                                       ^*Температура фазового перехода