ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Выше были ниже рассмотрены некоторые параметры полупроводников, в то числе и самый важный - ширина запрещенной зоны. В этом разделе остановимся на параметрах, в той или иной степени влияющих на электропроводность полупроводника. Эти параметры часто используются при описании принципа действия и характеристик многих элементов полупроводниковой электроники.

Вторым по значимости параметром полупроводника (после ε_з), пожалуй, является подвижность носителей заряда μ. Подвижность носителей по определению есть их средняя направленная скорость в полупроводнике при напряженности электрического поля Е = 1 В / см.

Как правило, подвижность электронов μ_n всегда больше подвижности дырок μ_р. Это объясняется большей инерционностью дырок (соответствующей инерционности валентного электрона), чем свободного электрона. Наиболее значительно это проявляется у арсенида галлия. Чем больше подвижность, тем больше скорость движения носителей и тем выше быстродействие полупроводникового элемента. Отсюда становится понятным преимущество высокочастотных элементов, изготовленных из электронного арсенида галлия.

Подвижность носителей заряда зависит от ряда факторов, важнейшим из которых является температура. Зависимость μ от температуры определяется механизмом рассеяния носителей. Поскольку с повышением температуры увеличивается интенсивность колебания атомов кристаллической решетки, то возрастает и число столкновений в единицу времени, следовательно, наблюдается падение подвижности носителей.

Для кремния п-типа можно записать

где μ₀ - подвижность носителей при начальной (комнатной) температуре Т₀.

Аналогичные зависимости имеют место и для других полупроводниковых материалов; отличие заключается только в величинах показателя степени.

Подвижность носителей заряда в примесных полупроводниках обычно уменьшается с повышением концентрации примесей, причем степень влияния концентрации примесей на возрастает при ее увеличении. При очень больших напряженностях электрического поля (больших значениях критической напряженности Екр) подвижность уменьшается по закону

Здесь μ₀ - подвижность носителей заряда при Е = Е_кр  (для кремния n-типа, например, Е_кр= 2,5 кВ / см).

Подвижность носителей заряда связана с другим параметром полупроводника - коэффициентом диффузии D-соотношением, которое принято называть соотношением Эйнштейна:

D = φ_тμ,

где φ_т = kТ / q - тепловой потенциал, который при комнатной температуре приближенно равен 26 мВ; k - постоянная Больцмана; q - заряд электрона. Коэффициенты D, так же как и подвижности, имеют разные значения для электронов и дырок, причем D_n > D_p.

Еще одним важным параметром полупроводника является время жизни τ. Различают непосредственную рекомбинацию и рекомбинацию через ловушки. Непосредственной рекомбинацией называют переход электрона из зоны проводимости непосредственно в валентную зону, где он занимает вакантный уровень и уничтожает дырку. В некоторых элементах, выполненных на основе арсенида галлия и некоторых других полупроводников, непосредственная рекомбинация может играть важную роль. Однако в таких полупроводниках, как германий и кремний, непосредственная рекомбинация маловероятна.

В большинстве практических случаев главную роль играет рекомбинация через ловушки (рис. 1.5). Ловушками называются глубокие энергетические уровни, расположенные вблизи середины запрещенной зоны.  Ловушки образуются за счет введения особых примесей или наличия дефектов кристаллической решетки полупроводника. Реально всегда существуют и мелкие дефектные уровни (уровни прилипания), которые расположены вблизи дна или потолка запрещенной зоны, но на процесс рекомбинации они практически не влияют.

Рекомбинация через ловушки происходит в два этапа: сначала электрон переходит из зоны проводимости на уровень ловушки, а затем с уровня ловушки в валентную зону. Эти переходы обозначены стрелками на рис. 1.5.

Чем больше в полупроводнике ловушек, тем интенсивнее происходит рекомбинация и соответственно меньше τ. Поэтому малые времена жизни свойственны полкристалла, где дефекты расположены на всех гранях отдельных зерен, и поверхностным слоям монокристаллических полупроводников, где много различных дефектов и посторонних примесей.

В общем  случае движение носителей заряда в полупроводниках обусловлено двумя физическими процессами: диффузией и дрейфом. Диффузией называется направленное перемещение носителей зарядов в следствие неравномерности их концентрации, т.е. перемещение под действием градиента концентрации носителей зарядов. Дрейфом называется направленное перемещение носителей заряда под действием электрического поля.

За время жизни в результате диффузионного движения носители заряда будут проходить некоторое среднее расстояние L, называемое диффузионной длиной. Более строго диффузионная длина определяется как расстояние, на котором концентрация носителей уменьшится в е (~ 2,7) раз. Диффузионную длину можно определить как

 L = √DƮ.

С точки зрения конструирования и эксплуатации элементов полупроводниковой электроники очень важным параметром является удельная проводимость полупроводников.