Эффект зонной структуры
Легирование кристалла полупроводника открывает энергетические состояния в пределах ширины запрещенной зоны, но очень близко к энергетической зоне, соответствующей типу присадки. Другими словами, донорные примеси создают состояния рядом с зоной проводимости, в то время как акцепторы создают состояния рядом с валентной зоной. Разрыв между этими энергетическими состояниями и ближайшей энергетической зоной обычно соответствует энергии связи примеси, EB, и сравнительно мала. Например, EB для бора в кремнии составляет 0.045 эВ, для сравнения ширина запрещенной зоны кремния 1.12 эВ. Поскольку EB мала, то для ионизации атома легирующего элемента и создания свободных носителей в зонах проводимости или валентных зонах необходимо малое количество энергии. Обычно тепловая энергия, доступная при комнатной температуре, достаточна, чтобы ионизировать большую часть примеси.
Примеси также имеют важный эффект перемещения уровня Ферми материала к энергетической зоне, которая соответствует примеси с наибольшей концентрацией. В связи с тем, что уровень Ферми должен оставаться постоянным в системе в термодинамическом равновесии, складывающиеся слои материалов с разными свойствами дают много полезных электрических параметров. Например, свойства p-n перехода согласно изменениям энергии зоны, получаются в результате выравнивания уровней Ферми в контактирующих областях полупроводников р- и n-типа.
Этот эффект показан в зонной диаграмме. Зонная диаграмма обычно указывает на изменения в валентной зоне и на краях зоны проводимости или некоторые пространственные размеры, часто обозначаемые как x. Уровень Ферми также обычно указан в диаграмме. Иногда показывается собственная энергия Ферми, Ei, которая является уровнем Ферми в отсутствии примеси. Эти диаграммы полезны при описании операций управления многих видов полупроводниковых устройств.
Изготовление полупроводниковых материалов
Полупроводники с предсказуемыми, надежными электронными свойствами необходимы для массового производства. Уровень химической чистоты очень высоким, поскольку присутствие даже малого количества примесей может оказывать воздействие на свойства материала. Высокая степень кристаллического совершенства также необходима, в связи с дефектами в кристаллической структуре, которые вмешиваются в полупроводниковые свойства материала. Кристаллические дефекты являются причиной некачественных полупроводниковых приборов. Чем больше кристалл, тем труднее достигнуть необходимого совершенства. Современные процессы массового производства используют кристаллические слитки диаметром четыре - двенадцать дюймов (300 мм), которые выращиваются в виде цилиндров.
В силу необходимого уровня химической чистоты и совершенствова кристаллической структуры производства полупроводниковых приборов, специальные методы были разработаны для производства базовых полупроводниковых материалов. Техника для достижения высокой чистоты включает выращивание кристалла методом Чохральского. Дополнительный шаг, который может быть использован в дальнейшем увеличении чистоты известен как зонная плавка. В зонной плавке, часть твердого кристалла расплавлена. Примеси имеют свойство концентрироваться в расплавленной области, пока желатемый материал рекристаллизуется, делая твердый материал более чистым и с меньшим количеством кристаллических дефектов.
Vocabulary
semiconductor – полупроводник
intrinsic – собственный
permanently – постоянно
impurity – примесь
doping – легирование
sufficient – достаточный
hole – дырка
proportion – соотношение
dopant – легирующее вещество
junction – переход
region – область
device – устройство
density difference – градиент плотности
amount – количество
electric field – электрическое поле
non–equilibrium electron – неравновесный электрон
permanent – постоянный
resistance – сопротивление
feature – особенность
transistor – транзистор
diode – диод
integrated circuit – интегральная схема
microprocessor – микропроцессор
passive component – пассивный элемент
capacitor – конденсатор
band gap – ширина запрещенной зоны
band – зона
valence band – валентная зона
quantum – квант, квантовый
photoemission – фотоэмиссия
underlie – лежать в основе
light–emitting diode – светодиод
absorption of light – поглощение света
photodetector – фотоприемник
conduction band – зона проводимости
facilitate – облегчать
fiber optic communication – оптико–волоконная связь
basis – основание
solar cell – фотоэлемент
silicon – кремний
alloy – сплав
Band structure – зонная структура
solid – тело, твердый тело
ground state – заземленное состояние
atomic nucleus – атомный ядро
insulator – диэлектрик
distinguish – различать
arbitrary – произвольный
dividing line – разделительная линия
conduct – проводить
electric current – электрический ток
Pauli exclusion principle – принцип запрета Паули
electrical conductivity – электропроводность
absolute zero – абсолютный нуль
current–carrying – токопроводящий
free electron – свободный электрон
charged particle – заряженная частица
covalent bond – ковалентная связь
neighboring – соседний
solid – твердый тело
binding – связь
single electron – одиночный электрон
imply – подразумевать
crystal structure – кристаллическая структура
notion – понятие
Fermi level – уровень Ферми
Hall effect – эффект Холла
reveal – обнаруживать
charge carrier – носитель заряда
positive charge – положительный заряд
contrast – контраст
solution – раствор
salt – соль
plasma – плазма
small amount – небольшое количество
unoccupied – свободный
flow – поток
scattering – рассеивание
defect – дефект
dominant – доминирующий
cause – вызывать
energy distribution – распределение энергии
Fermi–Dirac statistics – статистика Ферми–Дирака
Fermi energy – энергия Ферми
conductivity – проводимость
dependency – зависимость
momentum – импульс
dispersion – дисперсия
sake – ради
simplicity – простота
vector – вектор
quantum mechanics – квантовая механика
particle – частица
relationship – отношение
effective mass – эффективная масса
formula – состав
influence – влиять
electrical conductivity – электропроводность
optoelectronics – оптоэлектроника
light emitter – светоизлучатель
recombination – рекомбинация
thermal energy – тепловая энергия
energy source – источник энергии
conservation of energy – сохранение энергии
energy demand – энергопотребление
steady state – установившийся режим
equipoise – равновесие
precise – точный
approximately – приблизительно
dislocation – дислокация
crystal lattice – кристаллическая решетка
negative charge – отрицательный заряд
acceptor – акцептор
equilibrium – равновесие
integrated circuit – интегральная схема
superscript – надстрочный индекс
junction – переход
dimension – размер
fault – дефект
stacking fault – дефект упаковки
ingot – слиток
Czochralski process – метод Чохральского
zone refining – зонная плавка
Bibliography
Muller, Richard S.; Theodore I. Kamins (1986). Device Electronics for Integrated Circuits, 2d, New York: Wiley.
Sze, Simon M. (1981). Physics of Semiconductor Devices (2nd ed.). John Wiley and Sons (WIE).
Turley, Jim (2002). The Essential Guide to Semiconductors. Prentice Hall PTR.
Yu, Peter Y.; Cardona, Manuel (2004). Fundamentals of Semiconductors : Physics and Materials Properties. Springer.