Электронов электроны

Биполярный транзистор — наиболее часто применяемый элемент ИМС. Биполярные транзисторы п — р — n-типа, изготовленные по планарно-эпитаксиальной технологии, являются основными элементами почти всех аналоговых микросхем. Остальные элементы микросхемы выбирают и конструируют так, чтобы они совмещались с основной п — р — «-структурой. Все элементы такой микросхемы изготовляют чаще всего в эпитаксиальном слое, имеющем электронную проводимость.

Таким образом, можно учесть размытие профиля диффузии при повторных циклах нагрева подложки. Диф-фузантами, создающими дырочную примесную проводимость (р-типа), являются элементы III группы периодической системы элементов — бор, алюминий, галлий, индий. Электронную проводимость (n-типа) создают элементы V группы — фосфор, мышьяк, сурьма. В производстве полупроводниковых ИМС наиболее широко применяются бор, фосфор, мышьяк и сурьма. Последние два элемента, имеющие значительно меньшую величину коэффициента диффузии, используются чаще всего для создания скрытых слоев n-типа ( 1.1).

Рассмотрим физическую картину образования р — «-перехода (. 3.1). Представим, что два объема полупроводника N и Р разделены плоскостью R. Левая часть объема N имеет электронную проводимость, и в ней преобладают донорные примеси. Правая часть объема Р имеет дырочную проводимость, и в ней преобладают акцепторные примеси. При отсутствии контакта по плоскости /? концентрации электронов и дырок в обеих частях резко различаются: концентрация электронов в объеме N значительно превышает их концентрацию в объеме Р, а концентрация дырок в объеме Р значительно превышает их концентрацию в объеме N.

В нашем примере ( 1.1, б) один из атомов кремния замещен атомом сурьмы. Четыре валентных электрона сурьмы образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния, пятый же электрон остается на своей круговой орбите. Для освобождения этого электрона достаточно подвести извне незначительную энергию порядка 0,05 эВ (доя германия 0,01 эВ), поскольку сила электростатического притяжения его к атому сурьмы резко снижается из-за влияния атомов исходного вещества. Примесный атом при этом становится положительно заряженным ионом. Это означает, что при температурах выше 200 К все освободившиеся электроны участвуют в процессе электропроводности, а примесные атомы ионизируются. Избыток свободных электронов обусловливает электронную проводимость (проводимость и-типа) данного полупроводникового материала. Примеси, определяющие этот вид электропроводности, называются донорами,

ствующих примесей созданы три области (слоя) с различными типами проводимости. В германиевом транзисторе ( 8.1, а) обычно два крайних слоя обладают дырочной проводимостью (р-области), а внутренний слой имеет электронную проводимость (n-область), в соответствии с чем такой транзистор называется полупроводниковым триодом типа р-п-р. Условное обозначение транзистора типа р-п-р показано на 8.1, б. Кремние-

ся свободным. При комнатной температуре практически все электроны фосфора, не образующие ковалентных связей с атомами кремния, становятся свободными и участвуют в электрической проводимости. Атом фосфора, потерявший один электрон, превращается в неподвижный положительно заряженный ион. Свободные электроны примеси добавляются к собственным электронам полупроводника, вызванным термогенерацией, поэтому проводимость полупроводника становится преимущественно электронной. Примеси, вызывающие в полупроводнике преобладание числа электронов над числом дырок, т. е. обусловливающие преимущественно электронную проводимость, называются донорными («отдающими» электроны). По отношению к германию и кремнию донорами помимо фосфора могут быть сурьма, мышьяк и некоторые другие элементы пятой группы таблицы Менделеева. Таким образом, в кремнии с примесью фосфора число свободных электронов всегда превышает число дырок и электрическая проводимость осуществляется за счет движения свободных электронов. В этих условиях электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными. Полупроводники, у которых основными носителями заряда являются электроны, называются полупроводниками типа п.

Донорные примеси образуют примесные уровни, расположенные в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости. При абсолютной нулевой температуре все эти уровни заполнены и проводимость проводника равна нулю. Валентные электроны атомов примеси, которые слабо связаны с атомом, обладают большей энергией, чем валентные электроны атомов основного элемента ( 12, и). Им требуется получить меньше энергии, чтобы перейти в зону проводимости. При достаточно низких температурах (порядка ШОК) электроны доноров переходят в зону проводимости и создают электронную проводимость.

Если какой-либо валентный электрон получит дополнительную энергию, например при нагревании или облучении, то силы связи могут быть преодолены и электрон станет свободным. Свободный электрон под действием внешнего электрического поля может перемещаться между кристаллами, обусловливая электронную проводимость. Образование свободного электрона приводит к нарушению двух-электронной связи и появлению свободного места, которое может быть снова занято электроном. Такое свободное место в нарушенной двухэлек-тронной связи называется «дыркой». Под действием, например, теплового движения электрон соседней связи может перейти в незаполненную связь, т. е. занять дырку. Одна двухэлектронная связь восстанавливается, но разрушается другая, возникает новая «дырка.». Этот процесс можно рассматривать как движение дырок. Под действием сил электрического поля происходит направленное перемещение дырок в направлении сил поля, т. е. в направлении, обратном перемещению электронов. Такое явление следует рассматривать как дырочную проводимость. Перемещение дырок эквивалентно току, который возникает при движении положительных зарядов, по величине равных зарядам электронов.

При разряде цинковых электродов в щелочи наблюдаются не только химический вторичный процесс, но и явление «старения раствора». Сущность этого явления заключается в следующем. Цинкатные растворы, образующиеся при медленных разрядах, могут содержать количество цинката большее, чем содержит насыщенный раствор. Такие растворы называются перенасыщенными. Перенасыщенные растворы характеризуются своей нестабильностью. Из растворов выпадает осадок гидрата окиси цинка или окись цинка, т. е. происходит «старение раствора». Образование осадка может привести к закупорке пор и экранировке поверхности положительного электрода. При медленных разрядах создаются условия образования окиси цинка с нарушенной кристаллической решеткой. Такая окись цинка имеет электронную проводимость и вызывает внутренние межэлектродные замыкания. С целью снижения скорости «старения» цинкатного раствора в него добавляют соединения кремния.

Некоторые сепараторы, например пленка типа целлофана и лак АП-14Л, представляют собой селективные мембраны, способные избирательно-пропускать ионы, находящиеся в электролите. Лаковый слой АП-14Л на поверхности катода замедляет прохождение из катодного ^пространства в анодное растворимых в щелочах соединений ртути, серебра и марганца, снижая скорость саморазряда элементов. Диффузия ионов щелочных металлов и ОН~ через лаковую пленку происходит без заметных затруднений. Лаковый слой АП-14Л химически устойчив к воздействию сильных окислителей, которыми являются катодные активные материалы. Стойкость и избирательные свойства пленки выражены слабее, чем у АП-14Л. В отсутствие селективных мембран целлюлозные бумажные сепараторы постепенно окисляются соединениями тяжелых металлов, которые в некоторых случаях восстанавливаются до свободных '.металлов, например ртути и серебра, и вызывают внутренние межэлектродные замыкания. Пленка также предотвращает возможность замыкания при выпадении из щелочного электролита окиси цинка, которая имеет нарушенную структуру и вследствие этого электронную проводимость.

Рассматривая поведение диэлектриков в электростатическом поле, мы предполагали, что поле создается в идеальном диэлектрике, т. е. при полном отсутствии тока в нем. Однако в изолирующей среде имеются свободные электроны, хотя и в очень ограниченном количестве, которые под влиянием поля движутся и обусловливают электронную проводимость диэлектриков такого же характера, как и в металлах.

Распределение потенциала в вертикальном направлении по сечению А—А структуры показано на 11.12, б (кривая /). Координата л; отсчитывается от поверхности полупроводника. Распределение потенциала имеет максимум на глубине х « 3 мкм, т. е. внутри л-слоя. Он соответствует минимуму потенциальной энергии электронов. Электроны, введенные в такую структуру, будут смещаться электрическим полем к области с минимальной потенциальной энергией. Следовательно, аналогично структуре с поверхностным каналом переноса эта структура способна накапливать и хранить зарядовые пакеты в потенциальных ямах под затворами. В отличие от ПЗС с поверхностным каналом переноса здесь в потенциальных ямах, расположенных в л-слое, накапливаются основные носители—электроны.

Наиболее часто используют режим наблюдения упру-гоотраженных электронов. Электроны, падая на поверхность изделия под углом 25°, образуют ток коллектора, который сильно зависит от угла между падающим пучком и поверхностью, следовательно, этот ток в основном определяется топографией поверхности. Доля обратных рассеянных электронов зависит от атомного

Диэлектрики характеризуются присутствием ничтожного числа свободных электронов. Электроны диэлектрика связаны в основном с положительно заряженным ядром и движутся по некоторым орбитам вокруг него.

с фотонами и метастабильными атомами эмиссию из него электронов, электроны же после ускорения их полем создают в слоях 3 и 4 новые ионы в количестве, необходимом для замещения ионов, уходящих к катоду и диффундирующих в фарадеево темное пространство. Протяженность слоя тлеющего свечения d^ зависит от глубины проникновения в этот слой быстрых электронов.

Распределение потенциала в диоде при различных значениях анодного напряжения и t/H = const показано на 2-3. Если катод нагрет, а напряжение на аноде равно нулю (С/а1 == 0), то эмиттирован-ные электроны образуют в междуэлектродном пространстве отрицатель- 0 ный объемный заряд и распределение потенциала соответствует кривой 1. При малом анодном напряжении (кри- ^ вая 2 на 2-3) область отрицатель- 1 ного потенциала сохраняется вблизи v катода., Этот потенциальный барьер препятствует движению к аноду медленных электронов. Электроны с более высокой энергией преодолевают потенциальный барьер, достигают анода и создают анодный ток, величина которого меньше тока эмиссии. При более высоком. анодном напряжении (Ua3 >

Основная масса дырок из р-слоя, где их много, диффундирует слева направо в область перехода, но не может преодолеть потенциальный барьер и, проникнув в переход на некоторую глубину, снова возвращается в р-слой. Дырки n-слоя, как «пузырьки», легко «всплывают» по дну валентной зоны независимо от энергии в р-слой и образуют дрейфовый поток справа налево. Этот поток уравновешивается встречным диффузионным потоком дырок р-слоя, имеющих большую энергию и способных преодолеть потенциальный барьер. Аналогичная картина в движении электронов: электроны р-слоя свободно скатываются в п-слой — это дрейфовый ток. Этот электронный поток уравновешивается потоком электронов n-слоя, обладающих большой энергией. При приложении прямого напряжения потенциальный барьер понижается и появляются диффузионные токи как дырок, так и электронов, т. е. увеличивается инжекция неосновных носителей: дырок в «-область, электронов в р-об-ласть.

Распределение потенциала в диоде при различных значениях анодного напряжения и t/H = const показано на 2-3. Если катод нагрет, а напряжение на аноде равно нулю (С/а1 == 0), то эмиттирован-ные электроны образуют в междуэлектродном пространстве отрицатель- 0 ный объемный заряд и распределение потенциала соответствует кривой 1. При малом анодном напряжении (кри- ^ вая 2 на 2-3) область отрицатель- 1 ного потенциала сохраняется вблизи v катода., Этот потенциальный барьер препятствует движению к аноду медленных электронов. Электроны с более высокой энергией преодолевают потенциальный барьер, достигают анода и создают анодный ток, величина которого меньше тока эмиссии. При более высоком. анодном напряжении (Ua3 >

анодным. Электроны, покидающие катод, под действием сил электрического поля между электродами устремляются от катода к аноду, образуя электрический ток /а, называемый анодным, направление которого противоположно направлению движения электронов. Электроны, покидающие катод, вначале имеют незначительные скорости, но по мере движения к аноду скорости их возрастают. Чем больше электронов покинуло катод, тем сильнее тормозятся последующие электроны, вылетающие из катода, так как они испытывают противодействие со стороны электронов, ранее покинувших

Электроны в атоме находятся в состоянии непрерывного движения. Для многих целей, в том числе и для объяснения ряда магнитных явлений, с достаточным приближением можно считать, что электроны обращаются вокруг ядра по круговым или эллиптическим орбитам, подобно планетам солнечной системы (планетарная модель атома). Каждый из атомных электронов движется по своей собственной орбите, а разные электронные орбиты лежат в различных плоскостях.

Рис, 367. Последовательные стадии развития искрового пробоя: а — электронная лавина, зародившаяся на катоде, распространяется к аноду; б — электронная лавина достигла анода; в — все электроны из лавины ушли в анод, но менее подвижные положительные ионы остались практически на тех местах, где они образовались; в результате фотоионизации излучением разряда в газе возникают новые пары ионов и электронов; электроны втягиваются в область положительного объемного заряда, и у анода начинается образование хорошо проводящего канала — стримера; г—стример продвинулся к катоду приблизительно на '/з пути; д — стример почти