ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Термодинамическое равновесие в молекулярных системах из "Физика и химия полупроводников" Общие представления о строении твердого тела. [c.3] Глава III. Химические свойства германия и кремния. ... [c.3] Глава V. Электропроводность полупроводников. . [c.3] Глава VI. Неравновесные носители заряда в полупроводниках. [c.3] Теория полупроводников является составной частью физики твердого тела, которая сформировалась на базе квантовой механики, статистической физики и термодинамики. Основные свойства полупроводников могут быть правильно поняты только в свете этих наук. Без этого изложение теории полупроводников свелось бы к простому перечислению экспериментальных данных. Большая часть современной литературы по полупроводникам требует от читателя достаточно глубоких знаний перечисленных наук. Данная книга рассчитана на читателя, предварительная подготовка которого ограничивается изучением курсов общей физики и химии и начал высшей математики в объеме, предусмотренном программами для средних учебных заведений. В связи с этим первые две главы книги посвящены вопросам термодинамического равновесия, различимости и неразличимости микрочастиц, скоростей молекулярных процессов, а также природы химической связи и кристаллического строения твердого тела. [c.5] Такое расположение материала будет способствовать лучшей его систематизации и позволит излагать различные разделы физики и химии полупроводников с единой точки зрения. Это существенно поможет учащимся при изучении не только данного курса, но и специальных дисциплин, относящихся к технологии изготовления и принципам работы полупроводниковых приборов. [c.5] В главах III—VIII основное внимание уделено электропроводности полупроводников, процессам генерации и рекомбинации носителей заряда, электрическим явлениям на поверхности полупроводников при их контакте между собой, с металлами, водными растворами и газовыми средами, а также вопросам химического травления, термодинамической устойчивости различных соединений германия и кремния и основным методам стабилизации поверхностных свойств полупроводников. [c.5] Авторы выражают глубокую благодарность научному редактору проф., д-ру техн. наук В. В. Пасынкову, давшему ряд важных советов и проделавшему большую работу по подготовке рукописи к печати. [c.6] Еще 35 лет тому назад все материалы, использовавшиеся в электротехнике, в зависимости от величины их удельной проводимости а делились только на проводники (а = 10 — 0 ом -см ) и диэлектрики (а = 10 10 ом -см ). К наиболее характерным проводникам, как подчеркивалось в физике — проводникам первого рода, относились металлы и сплавы, обладающие электронной электропроводностью. Кроме того, были известны и сравнительно хорошо изучены свойства жидких тел (растворов, расплавов) с ионной электропроводностью. Их относили к проводникам второго рода или электролитам удельная проводимость последних существенно меньше, чем у проводников первого рода. Подавляющее же большинство окружающих нас веществ имеет электронную электропроводность, при значениях удельной проводимости, лежащих в интервале 10 —10 ом --см и, таким образом, не может быть отнесено ни к проводникам, ни к диэлектрикам. [c.9] Такие вещества в течение долгого времени не использовались в электро- или радиотехнике и поэтому не выделялись в отдельную группу, а их электрические свойства почти не изучались. Тем не менее, именно эти вещества обладают очень важными и интересными свойствами. Оказалось, что, во-первых, величина их удельной проводимости весьма существенно зависит от температуры и изменяется под действием света, ядерных излучений, деформаций и т. д. Во-вторых, при контакте рассматриваемых веществ между собой или с металлами, на границе раздела возникает переходный слой, сопротивление которого зависит от величины и полярности приложенного к контакту напряжения. Такне контакты характеризуются нелинейной зависимостью между протекающим через них током и приложенным напряжением. [c.9] Указанные свойства рассматриваемых веществ позволяют использовать созданные на их основе приборы для измерения температуры, интенсивности света, ядерных излучений, деформаций, а также в качестве выпрямителей переменного тока, усилителей сигналов и всевозможных преобразователей энергии. Эти вещества получили название полупроводников. [c.9] В годы второй мировой войны в связи с потребностями радиолокационной техники были разработаны детекторы из германия и кремния. Исследование этих полупроводниковых материалов привело американских ученых Бардина и Браттейна в 1948 г. к созданию транзистора, теория которого была разработана В. Шокли. С этого времени начинается промышленный выпуск многих типов полупроводниковых приборов и, в первую очередь, диодов,, усилительных триодов, мощных выпрямителей, индикаторов излучения, а также преобразователей световой и тепловой энергии в электрическую. За последние годы на основе полупроводников созданы магниточувствительные приборы, измерители механических деформаций, излучатели света и в том числе квантовые генераторы — лазеры, позволяющие получать направленный луч света высокой интенсивности. Одним из весьма перспективных направлений является использование полупроводников в качестве управляемых катализаторов химических реакций. [c.10] Электрические, оптические и многие другие свойства твердых тел и жидкостей находятся в прямой зависимости от концентрации носителей заряда в этих телах. Под носителями заряда подразумеваются заряженные частицы (электроны или ионы), которые могут перемещаться под действием сил электрического поля. Поскольку атомы всех элементов построены из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов, в состав любого тела всегда входит огромное количество заряженных частиц, однако не все они являются носителями заряда. [c.10] Концентрация носителей заряда в металлах очень велика и совпадает по величине с концентрацией атомов твердого тела, которая примерно составляет 10 частиц в I см . Это объясняется тем, что на каждый атом металла приходится по крайней мере по одному электрону, передвигающемуся в электрическом поле. Таким образом, концентрация носителей заряда в металлах является практически постоянной величиной и не может заметно изменяться под воздействием температуры, света, давления и других факторов. [c.10] Подавляющее большинство электронов в полупроводниках и диэлектриках находится в связанном состоянии, т. е. не обладает способностью передвигаться в электрическом поле. Поэтому концентрация носителей заряда в этих веществах во много раз ниже, чем концентрация атомов твердого тела и при комнатной температуре составляет от 10 до 10 частиц в 1 сл . [c.11] Носители заряда в полупроводниках и диэлектриках возникают за счет возбуждения связанных электронов. Отсюда следует, что их концентрация может резко изменяться под действием температуры, света, ядерных излучений, а также за счет введения примесных атомов, способствующих уменьшению энергии возбуждения. Так, при температурах, близких к абсолютному нулю, концентрация носителей в этих веществах практически равна нулю, а при высоких температурах становится близкой к концентрации носителей в металлах. Следовательно, повышение температуры способствует возбуждению связанных электронов и наоборот, понижение температуры вызывает связывание электронов, т. е. исчезновение носителей заряда. Процессы возбуждения (генерации) и исчезновения (рекомбинации) носителей заряда происходят не моментально, а с некоторой конечной скоростью, величина которой определяет целый ряд основных свойств полупроводников и является одной из важнейших характеристик материала. [c.11] Из сказанного выше следует, что в свойствах полупроводников и диэлектриков существует много общего, а различие между ними носит количественный, а не качественный характер. Однако ввиду очень большого сопротивления диэлектриков, их использование для создания усилителей, детекторов и многих других приборов долгое время казалось невозможным. Это затруднение было преодолено применением тонких пленок. В настоящее время разработаны и изготовляются приборы, основанные на контакте двух металлов или металла с полупроводником, между которыми находится очень тонкая ( 1 мк) прослойка диэлектрика. Такие контакты обладают не очень большим сопротивлением и нелиней ной зависимостью тока от приложенного напряжения. [c.11] Вычисление концентраций каких-либо частиц, а также определение скорости их возникновения или исчезновения является самостоятельной задачей термодинамики, квантовой механики, статистической физики и кинетики. Подобные вычисления применительно к другим веществам производились еще задолго до появления теории полупроводников. Учитывая также то обстоятельство, что свойства любых веществ, и, в частности, диэлектриков, полупроводников и металлов могут быть поняты, а часто и предсказаны только на основе перечисленных наук, мы начнем изучение физики и химии полупроводников с рассмотрения некоторых общих положений. [c.12] Потенциальная энергия. Под потенциальной энергией подразумевается та часть полной энергии, которая определяется расположением частиц в системе и не зависит от скорости их движения. Таким образом, изменения потенциальной энергии могут происходить только при изменении расстояния между какими-либо частицами, входящими в состав системы. Потенциальная энергия системы зависит от природы составляющих ее частиц и, в первую очередь, от их электрического заряда и массы. Например, потенциальная энергия электрона и ядра в атоме водорода однозначно определяется зарядами этих частиц и расстоянием между ними (см. 6). Отсчет потенциальной энергии производится по отнощению к бесконечности , т. е. по отношению к состоянию, в котором частицы данной системы удалены друг от друга на очень больщое расстояние. Такое удаление связано обычно с преодолением действующих между частицами сил притяжения и требует затраты работы. Поэтому в бесконечности система обладает максимальной потенциальной энергией, принятой за нуль. Во всех других состояниях потенциальная энергия системы имеет меньшие, т. е. отрицательные значения. На этом основании перед символом потенциальной энергии мы будем ставить знак минус. [c.13] При температуре абсолютного нуля кинетическая энергия теплового движения равна, очевидно, нулю. Тем не менее из опытных факторов следует, что во всех известных нам системах движение образующих их частиц никогда не прекращается. Ту часть кинетической энергии, которая не зависит от температуры системы, мы будем называть в дальнейшем нулевой кинетической энергией. [c.14] Вернуться к основной статье