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
Фосфид галлия	GaP	2,24	500-600
Карбид кремния	SiC	2,8-3,1

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	1020*	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