2 Получение полупроводника р-типа n-типа.

Если в примесь выполняется из элемента 3 группы (таблицы Менделеева), то в результате получают полупроводник р-типа, а примесь называют акцепторной. Позитивная связь. В полупроводнике р-типа образовываются разорванные связи («дырки»).

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.

Если в примесь выполняется из элемента 5 группы (таблицы Менделеева), то в результате получают полупроводник n-типа, примесь называют донороной. Нейтральная связь. В полупроводнике n-типа образовываются свободные электроны.

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например,мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

3 Получение рn перехода. Вах рn перехода.

Электронно-дырочным (или p-n) переходом называют область на границе двух полупроводников, обладающих различными типами проводимости. Толщина электронно-дырочного перехода обычно достигает от 100 нм до 1 мкм. На границе полупроводников электронного и дырочного типа концентрации носителей заряда неодинаковы, в результате чего в электронно-дырочном переходе возникает электрическое поле. Электроны переходят из области электронного типа в дырочную область, а дырки, наоборот, из дырочной области мигрируют в область электронного типа, то есть начинает протекать диффузионный ток. Когда концентрация основных носителей заряда больше, чем неосновных, то наибольшим будет ток, образованный упорядоченным движением основных носителей. Нейтрализация носителей зарядов в областях противоположного типа носит название рекомбинации носителей заряда. Рекомбинация электронов в дырочной области приводит к появлению в ней большого количества неподвижных отрицательных ионов, а возникшее электрическое поле будет ускоряющим для неосновных носителей заряда, и тормозящим и отталкивающим назад основных носителей заряда, которые будут вынуждены возвратиться обратно в область электронного типа. Аналогичным образом, рекомбинация дырок в электронной области приводит к образованию в ней большого количества неподвижных положительных ионов. Поэтому выравнивания концентраций носителей зарядов не возникнет. Участок границы полупроводников между местом, где будет максимальная концентрация отрицательных ионов акцепторной примеси и местом, где будет максимальная концентрация положительных ионов донорной примеси и есть электронно-дырочный переход. Электронно-дырочные переходы, обладающие примерно одинаковой концентрацией носителей зарядов в областях дырочного и электронного типов называют симметричными. Практическое применение симметричных p-n переходов довольно узко, а более широко применяют несимметричные электронно-дырочные переходы. В них концентрации носителей зарядов обладают отличием как минимум на несколько порядков.

Электронно-дырочный переход не получают простым соприкосновением двух разнотипных полупроводниковых брусков, так как в месте их соприкосновения не исключено наличие жировых пятен, пыли, чрезвычайно трудноудаляемой воздушной прослойки и прочего. А вместо этого электронно-дырочные переходы создают по специальным технологиям: диффузии, сплавления, эпитаксии, ионного легирования и ионной имплантации и многим другим.

Суть диффузии состоит в проникновении атомов паров примесей ввиду теплового движения на поверхность и внутрь кристаллов полупроводников, нагретых примерно до 950 °C … 1200 °C, причём концентрация примесей наиболее высока на поверхности, а наиболее низка в глубине кристаллов.

Сплавление заключено в наложении таблетки легирующего вещества на кристалл полупроводника и разогревании их до такой температуры, при которой наступит взаимное сплавление легирующего материала и полупроводника. Образованный таким образом электронно-дырочный переход называют резким, т.е. таким, при котором участок перехода концентраций примесей соизмерим с диффузионной длиной.

Эпитаксия – это выращивание плёнки одного полупроводника на кристалле другого полупроводника. Кристалл полупроводника, на который осуществляют наращивание, называют подложкой. Подложку выполняют из полупроводника с кристаллической решёткой, похожей на кристаллическую решётку наращиваемого полупроводника. Если выращиваемый полупроводник и полупроводник подложки – это химически одно и то же вещество, то процесс называют гомоэпитаксией, а если они различны – то гетероэпитаксией.

Процесс ионного легирования заключён во внедрении в кристалл полупроводника ионов примеси, которые были в вакууме разогнаны до определённой скорости и направлены на поверхность полупроводника.

Помимо рассмотренного электронно-дырочного перехода также выполняют электронно-электронные, дырочно-дырочные переходы, переходы металл-полупроводник и другие.

ВАХ ..

Пробоем электронно-дырочного перехода называют явление очень быстрого роста обратного тока при незначительном повышении постоянного обратного напряжения. Выделяют три типа пробоев: зенеровский, лавинный и тепловой.

Тепловыделение в области электронно-дырочного перехода, пропорциональное обратному напряжению и обратному току, увеличивает температуру кристалла полупроводника и силу обратного тока, что приводит к ещё большему тепловыделению, ещё большему обратному току и более высокой температуре и так далее. В результате такого катастрофического перегрева получает развитие тепловой пробой, который разрушает электронно-дырочный переход и после остывания прежние свойства, например, односторонней проводимости, к нему уже не вернутся. Тепловой пробой возникает после электрического пробоя перехода.

На вольтамперных характеристиках электронно-дырочного перехода, показанных на рис. 2.2, лавинный пробой изображён на кривой (а), зенеровский пробой – на кривой (б), а тепловой пробой отражён в наличии участка отрицательного дифференциального сопротивления на кривой (в).