1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКАХ

 

1.1.1 Полупроводники с собственной электропроводностью

 

К полупроводникам относятся вещества, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Отличительным признаком полупроводников является сильная зависимость их электропроводности от темпера­туры, концентрации примесей, воздействия светового и ионизирующего излучений.

В создании электрического тока могут принимать учас­тие только подвижные носители электрических зарядов. Поэтому электропроводность вещества тем больше, чем больше в единице объема этого вещества находится под­вижных носителей электрических зарядов. В металлах прак­тически все валентные электроны (являющиеся носителя­ми элементарного отрицательного заряда) свободны, что и обусловливает их высокую электропроводность. Например, удельное сопротивление меди r=0,017×10^-6 Ом×м. В диэлектриках и полупроводниках свободных носителей зна­чительно меньше, поэтому их удельное сопротивление вели­ко. Например, для диэлектрика полиэтилена

r = 10¹⁵ Ом×м, а для полупроводника кремния r = 2×10³ Ом×м.

Характерной особенностью полупроводников является ярко выраженная температурная зависимость удельного электрического сопротивления. С повышением температу­ры оно, как правило, уменьшается на 5...6% на градус, в то время как у металлов удельное электрическое сопро­тивление с повышением температуры растет на десятые доли процента на градус. Удельное сопротивление полу­проводника также резко уменьшается при введении в него незначительного количества примеси.

Большинство применяемых в настоящее время полупро­водников относится к кристаллическим телам, атомы кото­рых образуют пространственную решетку. Взаимное при­тяжение атомов кристаллической решетки осуществляет­ся за счет ковалентной связи, т. е. общей пары валентных электронов, вращающихся по одной орбите вокруг этих атомов. Согласно принципу Паули, общую орбиту могут иметь только два электрона с различными спинами, поэто­му число ковалентных связей атома определяется его ва­лентностью.

Каждой орбите соответствует своя энергия электрона. Электрон в атоме обладает только некоторыми, вполне определенными значениями энергии, составляющими со­вокупность дискретных энергетических уровней атома.

В процессе образования кристаллической решетки меж­ду атомами возникает сильное взаимодействие, приводя­щее к расщеплению энергетических уровней, занимаемых электронами атомов (рисунок 1.1). Совокупность этих уров­ней называют энергетической зоной. Число подуровней в каждой зоне определяется числом взаимодействующих атомов.

Разрешенные энергетические зоны 1, 3 отделены друг от друга запрещенной зоной 2. Запрещенная зона объ­единяет уровни энергий, которые не могут принимать электроны ато­мов данного вещества. Поскольку ширина разрешенных зон в твер­дом теле не превосходит несколь­ко электрон-вольт (эВ), а число атомов в 1 см³ достигает 10²², раз­ность между уровнями составляет 10^-22 эВ. Таким образом, в преде­лах разрешенной зоны получается практически непрерывный спектр энергетических уровней.

Верхняя разрешенная зона, в которой при абсолютном нуле тем­пературы все энергетические уров­ни заняты, называется заполненной или валентной зоной (на рисунке 1.1. это зона 3). Разрешенная зона, в которой при Т = 0° К элек­троны отсутствуют, называется свободной (на рисунке 1.1 это зона 1).

 

 

Ширина запрещенной зоны (зона 2 на рисунке 1.1) является важным параметром, определяющим свойства твердого тела. Вещества, у которых ширина запрещенной зоны DW £ 3 эВ, относятся к полупроводникам, а при DW > 3 эВ - к ди­электрикам. У металлов запрещенная зона отсутствует.

В полупроводниковой электронике широкое примене­ние получили германий  (DW = 0,67 эВ) и

кремний (DW =1,12 эВ) - элементы 4-й группы периодической систе­мы. На плоскости кристаллическую решетку этих элемен­тов         изображают так, как показано на рисунке 1.2, а. Здесь

Рисунок 1.1. Энергетическая диаграмма кристалла при Т=0° К.

кружками с цифрой 4 обозначены атомы без валентных элект­ронов, называемые атомным остатком с результирующим зарядом +4q (q - заряд электрона, равный 1,6×10^-19 Кл). При температуре абсолютного нуля (0° К) все электроны находятся на орбитах, энергия электронов на которых не превышает энергетических уровней валентной зоны. Сво­бодных электронов нет, и полупроводник ведет себя, как диэлектрик.

При комнатной температуре часть электронов приобре­тает энергию, достаточную для разрыва ковалентной свя­зи (рисунок 1.2, а). При разрыве ковалентной связи в валент­ной зоне появляется свободный энергетический уровень (рис. 1.2, б). Уход электрона из ковалентной связи сопро­вождается появлением в системе двух электрически свя­занных атомов единичного положительного заряда, полу­чившего название дырки, и свободного электрона.

 

Рисунок 1.2. Условное обозначение кристаллической решетки (а) и энергетическая диаграмма (б) полупроводника с собственной электропроводностью.

 

Разрыв ковалентной связи на энергетической диаграм­ме характеризуется появлением в валентной зоне свобод­ного энергетического уровня (см. рис.

 1.2, б), на который может перейти электрон из соседней ковалентной связи. При таком перемещении первоначальный свободный энер­гетический уровень заполнится, но появится другой сво­бодный энергетический уровень. Другими словами, запол­нение дырки электроном из соседней ковалентной связи можно представить как перемещение дырки. Следователь­но, дырку можно считать подвижным свободным носите­лем элементарного положительного заряда. Процесс обра­зования пар электрон-дырка называют генерацией сво­бодных носителей заряда. Очевидно, что количество их тем больше, чем выше температура и меньше ширина за­прещенной зоны. Одновременно с процессом генерации протекает процесс рекомбинации носителей, при котором электрон восстанавливает ковалентную связь. Из-за про­цессов генерации и рекомбинации носителей зарядов при данной температуре устанавливается определенная концен­трация электронов в зоне проводимости n_i, и равная ей концентрация дырок p_i, в валентной зоне. Из курса физики известно, что

           (1.1)

где W_ф - уровень Ферми, соответствующий уровню энер­гии, формальная вероятность заполнения которого равна 0,5 (формальная потому, что уровень Ферми находится в запрещенной зоне и фактически не может быть занят элек­тронами; кривая распределения Ферми-Дирака, характе­ризующая вероятность нахождения электрона на том или ином энергетическом уровне, всегда симметрична относи­тельно уровня Ферми); W_ДН - энергия, соответствующая "дну" зоны проводимости; W_В - энергия, соответствую­щая "потолку" валентной зоны; А_n, А_р - коэффициенты пропорциональности; k - постоянная Больцмана, равная 1,37×10^-23 Дж/град; Т- абсолютная температура, К. В химически чистых полупроводниках уровень Ферми совпадает с серединой запрещенной зоны W_i, а также А_n = А_р = А. Поэтому можно записать:

.     (1.2)

Из выражения (1.2) следует, что в чистом полупровод­нике концентрации носителей зарядов зависят от ширины запрещенной зоны и при увеличении температуры возрас­тают приблизи -тельно по экспоненциальному закону (тем­пературные изменения А играют незначительную роль). (Рисунок 1.3) Равенство концентраций n_i и p_i показывает, что такой по­лупроводник обладает одинаковыми электронной и дыроч­ной электропроводностями и называется полупроводни­ком с Рисунок 1.3 Зависимость концентрации    собственной электропроводностью.

носителей от температуры.

 

1.1.2  Полупроводники с электронной электропроводностью

 

При введении в 4-валентный полупроводник примесных 5-валентных атомов (фосфора Р, сурьмы Sb) атомы приме­сей замещают основные атомы в узлах кристаллической решетки (рис. 1.4, а). Четыре электрона атома примеси вступают в связь с четырьмя валентными электронами со­седних атомов основного полупроводника. Пятый валент­ный электрон слабо связан со своим атомом и при сообще­нии ему незначительной энергии, называемой энергией ак­тивации, отрывается от атома и становится свободным. Примеси, увеличивающие число свободных электронов, на­зывают донорными или просто донорами. Доноры подби­рают таким образом, чтобы их энергетические уровни W_д располагались в запрещенной зоне вблизи дна зоны про­водимости основного полупроводника (рис. 1.4, б). Посколь­ку концентрация доноров в большинстве случаев не пре­вышает 10¹⁵...10¹⁷ атомов в 1 см³, что составляет

 10^-4 % атомов основного вещества, то взаимодействие между атомами доноров отсутствует и их энергетические уровни не разбиваются на зоны.

Малая энергия активизации примесей, равная 0,04-0,05 эВ для кремния и 0,01-0,13 эВ для германия, уже при ком­натной температуре приводит к полной ионизации 5-ва­лентных атомов примесей и появлению в зоне проводимо­сти свободных электронов. Поскольку в этом случае появ­ление свободных электронов в зоне проводимости не со­провождается одновременным

 

Рисунок 1.4 Условное обозначение кристаллической решетки (а) и энергетическая диаграмма (б) полупроводника с электронной электропроводностью.

 

увеличением дырок в валент­ной зоне, в таком полупроводнике концентрация электро­нов оказывается значительно больше концентрации дырок. Дырки в полупроводниках образуются только в результате разрыва ковалентных связей между атомами основного вещества.

Полупроводники, в которых концентрация свободных электронов в зоне проводимости превышает концентрацию дырок в валентной зоне, называются полупроводниками, с электронной электропроводностью или полупроводни­ками n-типа.

Подвижные носители заряда, преобладающие в полу­проводнике, называют основными. Соответственно те но­сители заряда, которые находятся в меньшем количестве, называются неосновными для данного типа полупровод­ника. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными - дырки. В состоянии теплового равновесия в таком полупроводнике концентрации свободных электронов () и дырок () определяются соотношениями:

;      .     (1.3)

С учетом соотношений (1.1) выражения (1.3) можно представить в следующем виде:

;   (1.4)   . (1.5)     

 

Из этих соотношений следует, что для полупроводника n-типа выполняется неравенство >> .

Атомы 5-валентных примесей, "потерявшие" по одному электрону, превращаются в положительные ионы. В отли­чие от дырок положительные ионы прочно связаны с кри­сталлической решеткой основного полупроводника, явля­ются неподвижными положительными зарядами и, следо­вательно, не могут принимать непосредственное участие в создании электрического тока в полупроводнике.

Если считать, что при комнатной температуре все ато­мы донорных примесей ионизированы (= N_д, » 0), на основании выражения (1.4) можно записать:

,          (1.6)

где N_д - концентрация донорных атомов в полупровод­нике.

Из соотношения (1.6) видно, что в полупроводниках n-типа уровень Ферми располагается в верхней половине запрещенной зоны, и тем ближе к зоне проводимости, чем больше концентрация доноров. При увеличении температуры уровень Ферми смещается к середине запрещенной зоны за счет ионизации основных атомов полупроводника.

Повышение концентрации электронов в данном полу­проводнике значительно снижает его удельное сопротив­ление. Например, чистый кремний имеет r = 2×10³ Ом× м, а легированный фосфором - (0,25...0,4)×10² Ом×м.

 

1.1.3  Полупроводники с дырочной электропроводностью

 

Если в кристалле 4-валентного элемента часть атомов замещена атомами    3-валентного элемента (галлия Ga, ин­дия In), то для образования четырех ковалентных связей у примесного атома не хватает одного электрона (рис.

1.5, а). Этот электрон может быть получен от атома основного элемента полупроводника за счет разрыва ковалентной связи. Разрыв связи приводит к появлению дырки, так как сопровождается образованием свободного уровня в валент­ной зоне. Примеси, захватывающие электроны из валент­ной зоны, называют акцепторными или акцепторами. Энергия активизации акцепторов составляет для германия 0,0102-0,0112 эВ и для кремния 0,045-0,072 эВ, что значи­тельно меньше ширины запрещенной зоны беспримесного полупроводника. Следовательно, энергетические уров­ни примесных атомов располагаются вблизи валентной зоны (рис. 1.5, б).

 Ввиду малого значения энергии активизации акцепто­ров уже при комнатной температуре электроны из валент­ной зоны переходят на уровни акцепторов. Эти электро­ны, превращая примесные атомы в отрицательные ионы, теряют способность перемещаться по кристаллической решетке, а образовавшиеся при этом дырки могут участво­вать в создании электрического тока.

За счет ионизации атомов исходного материала из валентной зоны часть электронов попадает в зону прово­димости. Однако электронов в зоне проводимости значи­тельно меньше, чем дырок в валентной зоне. Поэтому дыр­ки в таких полупроводниках являются основными, а элек­троны - неосновными

Рисунок 1.5 Условное изображение кристаллической решетки (а) и энергетическая диаграмма (б) полупроводника с дырочной электропроводностью.

подвижными носителями заряда. Такие полупроводники носят название полупроводников с дырочной электропроводностью или полупроводников р-типа. В состоянии теплового равновесия концентрация дырок в полупроводнике р-типа () и свободных элек­тронов () определяется из соотношений:

;    (1.7)          (1.8)

Из уравнений (1.7) и (1.8) следует, что для полупро­водника р-типа выполняется неравенство >> .

Если считать, что при комнатной температуре все акцеп­торные атомы ионизированы, т. е. =0, то на основании соотношения можно записать:            ,                   (1.9)

где N_a — концентрация акцепторных атомов в полупровод­нике.

Соотношение (1.9) показывает, что уровень Ферми в полупроводнике р-типа располагается в нижней половине запрещенной зоны, так как N_a >> n_i, и при повышении температуры смещается к середине запрещенной зоны за счет ионизации атомов основного полупроводника.

Кроме того, на основании уравнений (1.4), (1.5), (1.7) и (1.8) можно записать следующее выражение:

              (1.10)

которое показывает, что введение в полупроводник приме­сей приводит к увеличению концентрации одних носите­лей заряда и пропорциональному уменьшению концентра­ции других носителей заряда за счет роста вероятности их рекомбинации.