Глава 2. Полупроводниковые компоненты электронных цепей

2.1. Строение твердых тел

Все твердые тела, встречающиеся в природе, делятся на кристаллические и аморфные. В кристаллических телах слагающие их атомы и молекулы располагаются в строго определенном порядке, образуя симметричные кристаллы. В отличие от кристаллов аморфные тела не имеют упорядоченной и многократно повторяемой структуры – атомы в них располагаются достаточно произвольно.

В радиоэлектронных приборах, выполненных на основе твердых тел, в настоящее время преимущественно используются кристаллы.

По способу связи между атомами, составляющими кристалл, принято различать ионные, металлические, ковалентные и молекулярные кристаллы.

При образовании кристаллов с ионной связью, являющихся, как правило, солями, происходит ионизация ранее нейтральных атомов путем обмена валентными электронами. Вследствие этого кристалл состоит из положительных и отрицательных ионов, располагающихся таким образом, что электростатическое притяжение разноименных ионов преобладает над отталкиванием одноименных. В отсутствии примесей в ионных кристаллах нет свободных носителей заряда, поэтому данный класс веществ относится к диэлектрикам.

При кристаллизации металлов происходит отторжение и обобществление валентных электронов у всех атомов. В результате этого кристалл металла оказывается состоящим из положительных ионов и соответствующего числа свободных электронов, хаотически перемещающихся по всему объему кристалла. Металлическая связь весьма прочна, так как каждый положительный ион взаимодействует со многими электронами, а силы взаимного отталкивания ионов не позволяют им сближаться. Большое количество свободных носителей заряда приводит к тому, что металлы являются хорошими проводниками.

При ковалентной связи между атомами кристалла обмена валентными электронами не происходит. Однако при сближении атомов образуются пары общих электронов, принадлежащие одновременно обоим атомам. Возникающие при этом силы притяжения достаточно велики, чтобы образовался прочный кристалл, например, кристалл алмаза, кремния, германия и т.д., при этом при определенных условиях в них могут возникать свободные носители заряда.

В кристаллах многих органических веществ имеется молекулярная связь, обусловленная слабыми электрическими силами, называемыми силами Ван-дер-Ваальса. Они вызываются несимметричностью электронных оболочек атомов.

Идеальных кристаллов практически не встречается; в каждом из них имеется несколько типов связей, одна из которых преобладает.

В электротехнике и радиоэлектронике последний тип кристаллов не нашел практического применения, все остальные, напротив, применяются очень широко. Начало практического использования полупроводниковых материалов относится к двадцатым годам ХХ века. Но революционные преобразования в радиоэлектронике и начало твердотельной электроники связывают с изобретением в 1948 г. полупроводникового усилительного прибора – транзистора (У. Шокли, У. Браттейн, Дж. Бардин).

18. 2.2. Электропроводность полупроводников

Вещества с сопротивлением 10^-6 – 10^-4 Ом∙см причисляют к проводникам. Вещества с сопротивлением 10¹⁰ – 10¹⁸ Ом×см относят к диэлектрикам. К полупроводникам относят вещества с удельным сопротивлением от 10^-3 –10^-2 до 10⁸ – 10⁹ Ом∙см. Полупроводники занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Количество полупроводников значительно превышает количество диэлектриков и проводников. В электронике наиболее часто применяют кремний, германий, арсенид галлия, селен, теллур.

Рассмотрим строение полупроводников с точки зрения зонной теории.

При образовании кристалла энергетические уровни ато­мов расщепляются, что приводит к образованию зон, со­стоящих из близко расположенных друг к другу энергети­ческих уровней. На энергетической диаграмме чистого по­лупроводника (рис. 2.2.1, а) показаны: В—валентная зона, все уровни которой при температуре абсолютного нуля за­полнены электронами, С—зона свободных электронов (зона проводимости), на уровни которой могут переходить электроны при возбуждении атомов, и 3 — запрещенная зона, энергетические уровни в которой отсутствуют. Нали­чие запрещенной зоны означает, что для перехода в зону проводимости электрону необходимо сообщить энергию большую, чем DW.

У металлов запрещенная зона отсутствует и валентная зона непосредственно соприкасается с зоной проводимости. Поэтому в металлах число свободных электронов велико, что и обеспечивает их высокую электро- и теплопроводность. У изоляторов ширина запрещенной зоны велика (DW>4 эВ) и при обычных условиях электроны проводи­мости практически отсутствуют.

Ширина запрещенной зоны DW у наиболее распространенных полупроводников — германия (Ge) и кремния (Si) составляет соответственно 0,72 и 1,12 эВ. У кремния и германия запрещенная зона мала. Поэтому, при комнатной температуре Т=300K некоторые электроны могут преодолеть запретную зону. При уходе электрона из валентной зоны в ней остается незаполненный слой – дырка. Временно образуется разрыв одной связи (рис.2.2.1а).

Рисунок. 2.2.1. Зонная диаграмма и схема образования носителей зарядов в чистом полупроводнике (а) и полупроводниках n- типа (б) и р- типа (в).

Эти по­лупроводники принадлежат к IV группе элементов табли­цы Менделеева и имеют по четыре валентных электрона. На рис. 2.2.1, а снизу показана также схема кристаллической решетки этих полупроводников, где связи, образован­ные валентными электронами, обозначены двойными ли­ниями.

Из-за относительно узкой запрещенной зоны у Ge и Si уже при температуре, близкой к комнатной (T=300 К), некоторые электроны получают энергию, достаточную, что­бы преодолеть запрещенную зону и перейти в зону прово­димости. При уходе электрона в валентной зоне остается незаполненный энергетический уровень — дырка. В крис­таллической решетке при этом происходит разрыв одной из валентных связей в кристалле полупроводника и появление свободного электрона, который может свободно пе­ремещаться по кристаллу, и дырки — узла решетки, ли­шенного одного из электронов связи. Оборванная связь может быть восстановлена, если ее возобновит электрон из соседней связи.

Процесс восстановления связей за счет перемещения электронов от одного атома решетки к другому удобно представить в виде противоположно направленного движения дырок, которым приписывается положительный заряд (т. е. заряд, противоположный заря­ду перемещающихся электронов). Таким образом, в крис­талле возможно перемещение как свободных электронов (отрицательных зарядов), так и дырок (положительных зарядов).

Процесс образования в чистом полупроводнике пары электрон – дырка называется генерацией собственных носителей зарядов. Одновременно происходит процесс рекомбинации - возврат электронов из зоны проводимости в валентную зону. Время жизни между моментами генерации называется временем жизни носителя заряда.

Чаще всего рекомбинация происходит на дефектах кристаллической решетки (нару­шения кристаллической структуры, случайные примеси, трещины, дефекты в поверхностных слоях); эти дефекты служат центрами рекомбинации.

Благодаря рекомбинации количество носителей заряда в полупроводнике не увеличивается и при постоянной тем­пературе неизменно. Концентрации (количество носителей в единице объема, 1/см³) дырок p_i и электронов n_i в чис­том полупроводнике равны:

p_i=n_i

В рабочем диапазоне температур концентрация электронов и дырок в чистом полупроводнике невелика, и по своим электрическим свой­ствам чистый полупроводник близок к диэлектрикам.

Введение в чистый полупроводник небольших коли­честв примесей (например, в пропорции один атом примеси на миллион атомов полупроводника) приводит к рез­кому изменению характера электропроводности.

Введем, например, в кремний атомы примесей V группы элементов таблицы Менделеева (мышьяк), имеющий на внешней оболочке пять валентных электронов.

Такие примеси, обладающие допол­нительным валентным электроном, называются донорными. Один из валентных электронов оказывается лишним, не образует связи с соседними атомами полупроводника. На энергетической диаграмме этому электрону соответствует локальный энергетический уровень, расположенный в верх­ней части запрещенной зоны (рис. 2.2.1 б) и заполненный при температуре абсолютного нуля.

Близость локальных уровней к зоне проводимости при­водит к тому, что уже при небольшом нагреве атомы при­меси ионизируются, отдают дополнительный электрон, при этом число свободных электронов увеличивается. Образо­вание свободных электронов при ионизации донорной при­меси сопровождается появлением в узлах кристаллической решетки неподвижных положительных зарядов — ионов примеси. Обмен электронами между атомами примеси не­возможен, так как атомы примеси удалены друг от друга и при комнатной температуре все ионизированы. Таким об­разом, ионизация атомов примеси не приводит к увеличе­нию концентрации дырок, которые образуются только при разрыве связей между атомами полупроводника. Поэтому при введении донорной примеси концентрация свободных электронов оказывается значительно больше концентра­ции дырок и электропроводность определяется в основном электронами. В этом случае электроны называют основны­ми носителями, дыр­ки—неосновными, а такой полупро­водник называется полупроводником п-типа. Несмотря на преобладание в примесном полупроводнике подвижных носителей одного знака, полупроводник в целом электри­чески нейтрален. Для полупроводника n-типа справедливо следу­ющее равенство концентрации отрицательных и положи­тельных зарядов:

n_n= Р_п+ N_д

где N_д — концентрация донорной примеси.

Р_п-концентрация дырок

n_n- концентрация электронов

Поскольку р_п мала, то n_n ≈N_д.

При введении в кремний или германий примесей III группы (алюминия, бора или индия), называемых акцеп­торными, в кристаллической решетке в месте расположения атома примеси появляется дополнительный энергетический уровень, расположенный вблизи валентной зоны и незаполненный при температуре абсолютного нуля. За счет прихода электрона от соседнего атома основного вещества (например, при нагреве до комнатной температу­ры) образуется отрицательный ион примеси, а на месте оборванной связи положительный заряд — дырка. Локаль­ные энергетические уровни примесей расположены теперь около валентной зоны и легко берут на себя электроны из этой зоны, приводя к образованию дырок. Основными но­сителями при этом становятся дырки, неосновными — элек­троны. Полупроводник с акцепторной примесью называется полупроводником р-типа. Для р-полупроводника справедливо выражение:

р_р == n_p+ N_a ≈ N_а

где N_a — концентрация акцепторных примесей

n_p- концентрация электронов

р_р- концентрация дырок.

Удельная электрическая проводимость полупроводни­ков

s=qnm_n +qpm_p

где q — заряд электрона, n концентрация электронов, p - концентрация дырок, m _n подвижность электронов, m_p подвижность дырок.

В электронном полупроводнике n_n >>p_n, поэтому

s_n= qn_nm_n

дырочном полупроводнике р_р>>n_р, следовательно,

s_p =qp_pm_p