2. ОСНОВИ ФИЗИКЕ ПОЛУПРОВОДНИКА

Да се подсетимо! Премa својој проводности, електротехнички мaтеријaли се деле нa три групе: проводнике, полупроводнике и изолaторе.

Полупроводнички мaтеријaли предстaвљaју основу сaвремене електронике тaко дa ћемо у нaредним излaгaњимa укрaтко рaзмотрити њихове нaјвaжније особине, а што ће нaм помоћи дa рaзумемо рaд основних полупроводничких компоненaтa: диоде, биполaрног трaнзисторa и FET трaнзисторa. Полупроводнички материјали могу да буду чисти, појединачни елементи или могу да буду полупроводничка једињења. у прву групу тзв. елементaрних полупроводника спада 12 елеменaтa: бор (B), угљеник (C), силицијум (Si), фосфор (P), сумпор (S), гермaнијум (Gе), aрсен (As), селен (Se), кaлaј (Sn), aнтимон (Sb), телур (те) и јод (ј). дaнaс се од елементaрних полупроводникa скоро искључиво користи силицијум, док се aрсен, фосфор и бор употребљaвaју зa допирaње силицијумa, о чему ћемо причати мало касније. тaкође, некa једињењa, посебно она формирaнa између чистих полупроводника (који припадају IV групи периодног система) и елеменaтa III и V групе периодног системa, имaју особине полупроводникa. нaјпознaтије једињење међу њимa је гaлијум-aрсенид (GaAs), aли су познaтa и другa полупроводничкa једињењa: InP, InSb, GaP, AlP, AlAs, GaSb итд.

2.1. Електричне особине материјала

Да се подсетимо! електрична отпорност уређаја или компоненте се дефинише коришћењем омовог закона . отпорност се не може користити као величина која би карактерисала одређени материјал и на основу које бисмо могли да класификујемо одређене материјале. електрична отпорност се рачуна и коришћењем израза R= ρ l . из њега смо закључили да, за S одређени материјал, отпорност зависи и од физичких димензија материјала (дужине l и површине попречног пресека S), као и од врсте материјала, карактерисане специфичном електричном отпорношћу ρ . ако, нпр., повећамо дужину компоненте, сразмерно ће се повећати и њена отпорност. ако повећамо површину, њена отпорност сразмерно ће се смањити. из тог разлога је немогуће искористити отпорност као особину материјала која ће нам показати да ли неки материјал јесте или није добар проводник.

величина која се користи да би се описале одређене врсте материјала у смислу доброг или лошег провођења електричне струје зове се специфична електрична отпорност и обележава се грчким словом ρ (ро). специфична електрична отпорност изражава се у ом-метрима (Ωm). реципрочна вредност специфичне електричне отпорности је специфична проводност. логично, што је отпорност већа, проводност је мања и обрнуто. Поређењем специфичних електричних отпорности материјала долазимо до поделе материјала на проводнике, полупроводнике и изолаторе:

• проводници (ρ p <10 -5 Ωm), • полупроводници (10 -5 Ωm < ρ pp < 10 3 Ωm), • изолатори (ρ i >10 3 Ωm ). сада смо схватили како се деле електротехнички материјали. да бисмо могли боље да разумемо специфичност полупроводника, ићи ћемо још „дубље” и подсетићемо се како изгледа структура атома а самим тим и „електронска” структура материјала.

2.2. Електронска структура материјала

Проводност мaтеријaлa директно је повезaнa с електронском структуром мaтеријaлa. сва материја састоји се од атома. атоми су електрично неутралне честице које се састоје од протона, неутрона и електрона. Протони су позитивно а електрони негативно наелектрисане честице, док су неутрони неутралне честице. атоми су електрично неутрални зато што је број протона једнак броју електрона. у центру атома налази слика 2.2.1. – Структура атома се језгро које је непокретно и које се састоји од протона и неутрона. атоми истог елемента могу имати различит број неутрона – изотопи. број протона представља атомски број сваког физичког елемента. електрони круже око језгра у електронским орбитама (љускама) које подсећају на орбите планета које се крећу око сунца. у свакој орбити може да буде само одређен број електрона (у к 2 електрона, у L 8...). један атом може имати највише 7 орбита око језгра (K, L, M, N, O, P и Q). електрони морају да се налазе у једној од орбита и не могу да постоје у простору између њих. свака орбита има свој енергетски ниво и електрони, који се налазе у њој, имају ту, тачно одређену, енергију. енергија се изражава у еV (електрон-волтима). енергетски нивои орбита расту што се више удаљавамо од језгра. орбите нижих енергетских нивоа морају прве да буду попуњене. Последња орбита која није попуњена зове се валентна зона а електрони, који се налазе у њој, зову се валентни електрони. ти електрони формирају валентне парове, тј. валентне везе између атома једног материјала. они су и даље везани за језгро, па зато не могу да учествују у провођењу електричне струје. на слици 2.2.2 на примеру атома бакра можемо да видимо да он има атомски број 29, да су му прве 3 орбите попуњене а да у четвртој орбити има 1 валентни електрон.

слика. 2.2.2. – Структура атома бакра

електрон може да пређе с једног енергетског нивоа на други само ако прими довољну енергију која је једнака разлици енергија његовог и енергетског нивоа на који прелази или је већа од ње. објаснићемо то примером приказаним на слици 2.2.3. да би електрон, нпр., прешао с нивоа L (с енергијом е 2 ) на ниво М (с енергијом е 3 ), мора да прими енергију која је једнака: e - e = 3 2 1 eV - 0, 6 eV = 0, 4 eV (1 eV = 1, 602 10 J -19 ⋅ ).

електрон може да добије додатну енергију загревањем материјала, осветљавањем, довођењем електричне енергије... слика 2.2.3. – Енергетски нивои атома валентни ниво, као што смо раније споменули, чине електрони који се налазе у последњој орбити. ти електрони нису „слободни”, већ су везани за језгро атома. да би електрон постао слободан и да би се „развезао” од језгра, потребно је да добије одређену количину енергије и да пређе на проводни ниво. ако валентни електрон добије довољно енергије, он може да пређе из валентног у проводни опсег енергија. Проводни опсег је енергетски ниво у ком електрони више нису везани за сопствена језгра и могу слободно да се крећу кроз материјал. за те електроне се каже да су у побуђеном стању. та количина енергије, која је једнака разлици енергија проводног и валентног нивоа, назива се енергетски процеп E g (индекс g потиче од енг. Energy gap што у преводу значи енергетски процеп). дакле, то је минимална енергија коју треба довести валентном електрону да би прешао на проводни ниво и постао слободан.

Величина енергетског процепа одређује проводне особине материјала.

Посматрањем валентне и проводне зоне енергија (сл. 2.2.4) можемо да уочимо разлике између проводника, полупроводника и изолатора.

слика 2.2.4. – Дијаграм енергетских зона у проводницима, изолаторима и полупроводницима

валентна и проводна зона проводника преклопљене су и електрони се веома лако усмеравају помоћу спољашњег електричног поља. енергетски процеп изолатора веома је широк тако да електрони треба да добију веома велику енергију да би постали слободни. то може да се деси једино ако им се доведе изузетно велика енергија тако да настане пробој изолатора.

Полупроводници су на ниским температурама сличнији изолаторима него проводницима. Међутим, величина енергетског процепа се мења с променом температуре. с повећањем температуре кинетичка енергија електрона расте и врло брзо постаје већа од енергетског процепа, па електрони прелазе у проводну зону. када електрон напусти валентну зону и постане слободан, атом није више електрично неутралан, већ постаје позитиван јон (има 1 протон више од електрона). данас најчешће коришћени полупроводник, силицијум, на собној температури има енергетски процеп од 1,11 eV.

ДА ЛИ СТЕ РАЗУМЕЛИ ЛЕКЦИЈУ? – ПитаЊа за ПонављаЊе градива

1. шта је то енергетски процеп? 2. валентна и проводна зона _________ (изолатора, полупроводника) су преклопљене и електрони се _________ (лако, тешко) усмеравају помоћу спољашњег електричног поља. 3. Полупроводници су на ниским температурама сличнији _________ (изолаторима, проводницима) него _________ (изолаторима, проводницима). 4. колику енергију треба да добије електрон (сл. 2.2.3) с М нивоа да би прешао у проводни опсег и постао слободан?

2.3. Основне карактеристике полупроводника

на наредној слици приказани су атоми Si (силицијум), Ge (германијум) и C (угљеник).

слика 2.3.1. – Атоми полупроводника с по 4 валентна електрона

да ли бисте могли да одговорите на питање: Шта ти атоми имају заједничко?

Одговор је да сви имају по 4 валентна електрона!

валентна орбита атома може имати до 8 валентних електрона и од њиховог броја такође зависи проводност материјала. добри проводници, на пример, имају само1 валентан електрон, док добри изолатори имају попуњену валентну орбиту (тј. у њој имају свих 8 електрона). Полупроводници се налазе негде у средини и имају 4 валентна електрона (каже се да су четворовалентни елементи). силицијум је данас најчешће коришћени полупроводник, па ћемо даље структуру полупроводника објаснити на његовом моделу.

2.3.1. Kристална структура и ковалентне везе

до сада смо посматрали појединачне атоме полупроводника. када спојимо 2 атома полупроводника (у овом случају силицијума) или више њих, они формирају правилну структуру која се назива кристална структура или кристална решетка.

то се догађа зато што сваки атом формира везе између своја 4 валентна електрона и 4 валентна електрона суседних атома (сваки слика 2.3.1.1. – Део кристалне атом дели 1 свој валентни електрон са једним валентним електрорешетке силицијума (приказан у простору) ном суседног атома). то би значило да је 1 атом силицијума повезан са 4 суседна атома, при чему са сваким од њих дели по 1 валентан електрон. два полупроводничка атома повезују се ковалентним везама. у овим везама 2 атома „деле” 2 електрона (другачије ћемо ове повезане електроне звати електронски пар). на следећој слици је ради лакшег разумевања структура молекула силицијума приказана у дводимензионалном простору. Повезивањем великог броја атома добијамо чврсту, кристалну структуру. сви атоми у њој су електрично неутрални и стабилни зато што су им валентни нивои попуњени (сваки садржи по 8 електрона, 4 своја и 4 дељена). ово је и разлог што су тзв. чисти полупроводници добри изолатори а лоши проводници. они као такви (чисти, без додатних елемената) не могу да служе за израду електронских слика 2.3.1.2. – Дводимензионалан приказ компонената, већморају, на неки начин, да буду докристалне решеткe силицијума на 0 К e датно побољшани.

2.3.2. Електрони и шупљине

у досадашњој причи о полупроводницима још нисмо дошли до тога шта њих чини тако интересантним и посебним. чак смо у једном тренутку закључили да су на 0 к одлични изолатори.

Међутим, већ на собној температури одређен број електрона добије довољну енергију да раскине ковалентну везу са својим паром, пређе у проводну зону и постане слободан електрон. ти електрони тада могу да се крећу кроз полупроводник и каже се да су у побуђеном стању.

Место на ком је био електрон у ковалентној вези остало је упражњено и назива се шупљина. Пошто је електрон који је напустио ковалентну везу негативно наелектрисан, атом остаје позитивно наелектрисан. зато се може рећи да су електрони негативно а шупљине позитивно наелектрисане честице. сваки пут кад електрон пређе из валентног у проводни опсег, формира се и шупљина, односно добијамо пар електрон-шупљина. концентрација електрона (број електрона у јединици запремине) и концентрација шупљина (број шупљина у јединици запремине) у чистом полупроводнику су увек једнаке и називају се сопствене концентрације. Пошто енергија електрона у ковалентној вези веома зависи од температуре, и сопствене концентрације зависиће од температуре.

у полупроводнику на посматраној температури, осим што се ковалентне везе разграђују, оне се и попуњавају. када се енергија побуђеног електрона смањи, он ће се вратити да „попуни” шупљину и поново успостави ковалентну везу. Могуће је и да позитивно наелектрисана шупљина „ишчупа” електрон из неке суседне ковалентне везе и поново успостави ковалентну везу. ти поступци поновног „спајања” електрона и шупљине називају се рекомбинација.

2.3.3. Провођење струје у полупроводнику

Да се подсетимо! струја је усмерено кретање

слика 2.3.2.1. – Дводимензионални приказ кристалносилаца наелектрисања.

не решетке силицијума на собној температури

Познато је од раније да у проводницима струју чини усмерено кретање електрона. у полупроводницима у провођењу струје учествују обе врсте слободних носилаца: и електрони и шупљине. уколико прикључимо једносмерни напон U на чист полупроводник, слободни електрони из проводног опсега чиниће малу електричну струју, пошто ће их привући позитиван крај извора напајања. слободни електрони, који се крећу ка позитивном крају извора напајања, остављају за собом шупљине. валентни електрони из атома поред шупљине теже да је попуне, чиме на свом месту остављају нову шупљину. значи, кретање шупљина, у ствари, представља кретање валентних електрона из суседних атома који теже да попуне настало упражњено место, тако да физичко кретање електрона изгледа (иако није стварно) као да се шупљине крећу ка негативном крају извора. то кретање шупљина чини потпуно нову појаву и кључну разлику између проводника и полупроводника.

ДА ЛИ СТЕ РАЗУМЕЛИ ЛЕКЦИЈУ? – ПитаЊа за ПонављаЊе градива

1) електрична проводност елемената одређена је и бројем електрона у валентној орбити. Полупроводници имају _________ (1, 4, 5) валентна електрона и налазе се између проводника који имају _________ (мало, пуно) валентних електрона и изолатора који имају _________ (мало, пуно) валентних електрона. 2) сваки полупроводнички атом у кристалној решетки дели своје валентне електроне са 4 суседна електрона. таква веза електрона назива се _________(јонска, ковалентна). 3) број парова електрон-шупљина у полупроводнику рашће када температура _________(расте, опада). 4) када чист или _________ (допирани, недопирани) полупроводник прикључимо на напон, слободни електрони кретаће се ка _________ (позитивном, негативном) крају извора напајања а шупљине ка _________ (позитивном, негативном) крају.

2.4. Полупроводници с примесама

Да се подсетимо!до сада смо научили да чист полупроводник на собној температури има веома малу струју која се састоји од две компоненте: струје електрона и струје шупљина.

ако се у кристал чистог полупроводника (ми ћемо поново посматрати силицијум) унесу примесе других материјала (зову се још и нечистоће), проводност и струја могу се значајно повећати. Поступак додавања нечистоћа полупроводнику ради повећања његове проводности назива се допирање полупроводника. допирањем се или повећава број слободних електрона (негативно или n допирање) или се повећава број шупљина (позитивно или р допирање).

Примесе се уносе у чвор кристалне решетке полупроводника уместо једног атома полупроводника. Потребно је да концентрација примеса буде веома мала, тако да један атом примесе буде са свих страна окружен атомима полупроводника. број валентних електрона примесе треба да буде за 1 мањи или за 1 већи од броја валентних електрона полупроводника. Постоје 2 типа примеса које се додају полупроводницима: • петовалентне примесе (елементи 5. групе периодног система), • тровалентне примесе (елементи 3. групе периодног система).

2.4.1. Полупроводник N типа

као што смо већ закључили, сви полупроводници су четворовалентни. ако им се у кристалну решетку угради атом петовалентне примесе (нпр., As, P, Sb...), по 4 валентна електрона формираће ковалентне везе а пети валентни електрон примесе неће имати с ким да формира везу, па ће и врло мала количина енергије бити довољна да он постане слободан електрон (сл. 2.4.1.1).

Пошто су милиони петовалентних атома примеса додати чистом полупроводнику, појавиће се бројни слободни електрони. Пошто наведене примесе дају полупроводнику слободне електроне, тај тип примеса зове се донор. тако допирани полупроводник зове се полупроводник N-типа јер има више негативних носилаца слободних наелектрисања (електрона) него шупљина. Пошто их у овом типу полупроводника има више, електрони се зову главни носиоци наелектрисања, док су шупљине мањински носиоци наелектрисања.

Петовалентне примесе арсен (As) фосфор (P) антимон (Sb)

слика 2.4.1.1. – Дводимензионалан приказ кристалне решетке силицијума допираног петовалентним елементом (нпр. фосфором Р)

иако овде говоримо о бројним слободним електронима, полупроводник N типа је електрично неутрална компонента (нијенегативнонаелектрисан) јер је укупан број протона у језгру, електрона у ковалентним везама и оних који су слободни и даље једнак и они неутралишу једни друге. једино се тамо, где се налазе атоми примеса, налазе позитивно наелектрисани, непокретни јони примеса, јер су њихови атоми „изгубили” по један електрон, који није имао с ким да формира ковалентну везу (сл. 2.4.1.2). Јон је позитивно или негативно наелектрисани атом који је изгубио или примио електрон.

слика 2.4.1.2. – Полупроводник N- типа

2.4.2. Полупроводник P типа

ако се у кристалну решетку полупроводника угради атом тровалентне примесе (нпр. Al, в, Ga, In...), по 3 валентна електрона формираће ковалентне везе а у једној ковалентној вези електрон полупроводника неће имати с ким да формира везу, па ће на страни на којој је примеса остати једна шупљина.

Пошто су милиони тровалентних атома примеса додати чистом полупроводнику, појавиће се бројне слободне шупљине. Пошто наведене примесе „дају” полупроводнику слободне шупљине, које су спремне да буду попуњене електронима, овај тип примеса зове се акцептор (назив потиче од енглеске речи accept, што у преводу значи примити, јер шупљине на неки начин „примају” електроне). тако допиран полупроводник зове се полупроводник P-типа јер има више позитивних носилаца слободних наелектрисања (шупљина) него електрона. Пошто их у овом типу полупроводника има више, шупљине се зову главни носиоци наелектрисања, док су електрони мањински носиоци наелектрисања.

Тровалентне примесе

алуминијум (Al) индијум (In) бор (B)

слика 2.4.2.1. – Дводимензионалан приказ кристалне решетке силицијума допираног тровалентним примесом (нпр. бором В)

иако овде говоримо о великом броју слободних шупљина, полупроводник P-типа је електрично неутрална компонента (није Позитивнонаелектрисан) јер је укупан број протона у језгру, електрона у ковалентним везама и оних који су слободни и даље једнак и они неутралишу једни друге. једино се на местима, на којима се налазе атоми примеса, налазе негативно наелектрисани, непокретни јони примеса, јер се за неспарен електрон силицијума може сматрати да припада и атому примесе (тај електрон силицијума креће се око оба језгра), па примеса на неки начин има један електрон вишка.

слика 2.4.2.2. – Полупроводник P-типа

ДА ЛИ СТЕ РАЗУМЕЛИ ЛЕКЦИЈУ? – ПитаЊа за ПонављаЊе градива

1) додавањем петовалентних примеса чистом полупроводнику добијамо полупроводник _________ (N, P) типа. 2) додавањем тровалентних примеса чистом полупроводнику добијамо полупроводник _________(N, P) типа. 3) у полупроводнику P-типа главни носиоци наелектрисања су _________ (електрони, шупљине), док су електрони _________ (главни, споредни) носиоци наелектрисања у полупроводнику

N-типа.

РЕЗИМЕ – Основи физике полупроводника

елементaрни полупроводници су: бор (B), угљеник (C), силицијум (Si), фосфор (P), сумпор (S), гермaнијум (Gе), aрсен (As), селен (Se), кaлaј (Sn), aнтимон (Sb), телур (те) и јод (ј). некa једињењa такође имaју особине полупроводникa (GaAS, InP, InSb, GaP, AlP, AlAs, GaSb...). на основу поређења специфичне електричне отпорности, као и односа валентне и проводне зоне, материјале делимо на проводнике, полупроводнике и изолаторе. два полупроводничка атома повезују се ковалентним везама. Повезивањем бројних атома добијамо чврсту, кристалну структуру. сви атоми у њој су електрично неутрални и стабилни зато што су им валентни нивои попуњени (сваки садржи по 8 електрона, 4 своја и 4 дељена). на собној температури одређен број електрона раскине ковалентну везу и они постају слободни електрони (електрони у побуђеном стању). Место на ком је био електрон у ковалентној вези остало је упражњено и назива се шупљина. електрон који је напустио ковалентну везу је негативно наелектрисан, па атом остаје позитивно наелектрисан. концентрације шупљина и електрона у чистом полупроводнику увек су једнаке и називају се сопствене концентрације. када позитивно наелектрисана шупљина „ишчупа” електрон из неке суседне ковалентне везе или енергија побуђеног електрона опадне и он се вратити да „попуни” шупљину, те поново успостави ковалентну везу, каже се да се врши рекомбинација. допирањем полупроводника повећава се број слободних електрона или број шупљина. Постоје два типа примеса: петовалентне или тровалентне примесе.

ако су примесе петовалентне, називају се донори. тако допиран полупроводник зове се полупроводник N-типа јер има више негативних носилаца слободних наелектрисања (електрона) него шупљина. електрони се зову главни носиоци наелектрисања, док су шупљине мањински носиоци наелектрисања. ако су примесе тровалентне, зову се акцептори. тако допиран полупроводник зове се полупроводник P-типа јер има више позитивних носилаца слободних наелектрисања (шупљина) него електрона. шупљине се зову главни носиоци наелектрисања, док су електрони мањински носиоци наелектрисања.

КЉУЧНИ ПОЈМОВИ – Основи физике полупроводника

Eнергетски процеп E g – минимална енергија коју треба довести валентном електрону да би прешао у проводну зону и постао слободан. Шупљина – место на ком је био електрон у ковалентној вези, а које је остало упражњено и може се сматрати позитивно наелектрисаном честицом. Рекомбинација – поступци поновног „спајања” електрона и шупљина којима се добија неутрална честица. Допирање полупроводника – поступак додавања нечистоћа полупроводнику ради повећања његове проводљивости Петовалентне примесе – елементи 5. групе периодног система који се додају чистом полупроводнику. Тровалентне примесе – елементи 3. групе периодног система који се додају чистом полупроводнику. Полупроводник N-типа – полупроводник допиран петовалентним примесама који има више негативних носилаца слободних наелектрисања (електрона) него шупљина. Полупроводник P-типа – полупроводник допиран тровалентним примесама који има више позитивних носилаца слободних наелектрисања (шупљина) него електрона