Структура полупроводников.

Полупроводники представляют собой кристаллы с регулярной структурой. Каждый кристалл можно разбить на множество повторяющихся однотипных элементарных ячеек – структурных молекул, которые подобно химическим молекулам состоят из нескольких атомов.

а) б)

Рис.3. Тетраэдрическая структура кристаллической

решетки.

а  элементарный тетраэдр; б – элементарная ячейка.

Кристаллическая решетка германия (кремния) называется тетраэдрической или решеткой типа алмаза. Она характерна для всех четырехвалентных элементов. В основе такой решетки лежит пространственная фигура – тэтраэдр, в углах и центре которой расположены атомы. В этих решетках каждый атом связан с четырмя соседними с помощью пары валентных электронов, находящихся на общей орбите и принадлежащих обоим атомам. Такая связь называется ковалентной.

На плоской картине ее условно обозначают двумя линиями, соединяющими два узла кристаллической решетки.

В кристалле чистого полупроводника при температуре абсолютного нуля (Т = 0К) валентные электроны прочно связаны с ядрами атомов посредством ковалентных связей. В этих условиях полупроводник является диэлектриком, а каждый атом – нейтральным.

Рис. 4.

При температуре Т 0К часть электронов под действием тепловой энергии разрывает ковалентные связи и переходит из валентной зоны в зону проводимости.

Электроны, потерявшие связь с атомами, становятся свободными и называются электронами проводимости. При этом в решетке образуется разорванная ковалентная связь, называемая дыркой проводимости.

Процесс образования пары "электрон-дырка" называется генерацией электронно-дырочных пар (пар подвижных носителей заряда). В чистом полупроводнике число электронов проводимости равно числу дырок проводимости.

Дырка может быть занята валентным электроном соседней связи. Тогда ковалентная связь, откуда пришел электрон, окажется разорванной, что эквивалентно перемещению дырки в направлении, противоположном движению электрона.

После своего появления дырка совершает хаотическое движение в течение некоторого времени, а затем рекомбинирует с электроном (процесс соединения электрона проводимости и дырки называется рекомбинацией). Таким образом, каждый из подвижных носителей заряда существует ("живет") в течение некоторого промежутка времени. Среднее значение этого промежутка времени называется временем жизни носителей и обозначается для дырок _p, а для электронов - _n.

В электрическом и магнитном дырка поле ведет себя как частица с положительным зарядом, равным по величине заряду электрона.

При наличии внешнего электрического поля электроны проводимости и дырки приобретают направленное движение ("дрейфуют") образуя ток. Общий ток, проходящий через кристалл, равен сумме электронного и дырочного токов.

Таким образом, в полупроводнике есть два типа носителей заряда – электрон проводимости и дырка проводимости. Соответственно этому рассматривают два типа электропроводности – электронную, обусловленную перемещением электронов проводимости и дырочную, обусловленную дрейфом дырок.

Проводимость чистого полупроводника, обусловленная дрейфом электронов проводимости и дырок, образовавшихся при генерации при любом способе возбуждения, называется собственной проводимостью.

Примесные полупроводники. В полупроводниковых приборах химически чистые полупроводники используются довольно редко. Обычно для изготовления приборов применяют полупроводниковые материалы, электропроводность которых обусловлена преимущественной концентрацией подвижных носителей электрических зарядов того или иного знака: электронов или дырок. С этой целью в предварительно химически очищенный полупроводниковый материал вводятся специальные примеси (материал легируется).

Примеси нарушают обычные связи между атомами решетки, в результате чего появляются дополнительные разрешенные уровни в запрещенной зоне, которые являются источником электронов и дырок.

Рис. 5. Атом донорной примеси в кристалле кремния

n – проводимость. Если в качестве примеси для германия или кремния используются пятивалентные химические элементы (сурьма, фосфор, мышьяк), то пятивалентные атомы примеси, располагаясь в некоторых узлах решетки, заполняют своими электронами четыре ковалентные связи соседних атомов. Пятый же валентный электрон примеси, являясь лишним в единой структуре валентных связей кристалла, оказывается относительно слабо связанным с примесным атомом. Поэтому под действием тепла он легко от него отделяется и становится электроном проводимости. При этом оставшийся в узле пятивалентный атом превращается в положительный ион, который не может перемещаться по кристаллу и участвовать в переносе электрических зарядов. Однако в целом кристалл остается электрически нейтральным, так как положительные заряды ионов уравновешиваются отрицательными зарядами электронов проводимости.

Примесь, вызывающая увеличение количества электронов в зоне проводимости, называют донорной, а полупроводник с преобладающей электронной проводимостью – полупроводником n-типа.

С точки зрения зонной теории донорная примесь образует локальную валентную зону вблизи дна зоны проводимости, уменьшая энергию активации до 0,01…0,05 эВ.

Наряду с ионизацией доноров в кристалле происходит обычная термогенерация пар носителей электрических зарядов: электронов и дырок. Однако при этом концентрация дырок не остается такой же, как в исходном собственном полупроводнике p_i. Вследствие роста концентрации электронов увеличивается вероятность рекомбинации дырок с электронами, т.е. уменьшается время жизни дырок, что приводит к уменьшению их концентрации.

Таким образом, в полупроводнике n-типа концентрация электронов значительно выше концентрации дырок.

Рис. 6. Атом акцепторной примеси в кристалле кремния

p – проводимость. При введении в чистый Ge или Si трехвалентной примеси (индий, галлий, бор) трехвалентный атом, располагаясь в узле кристаллической решетки, сможет заполнить своими электронами лишь три ковалентные связи с соседними атомами. Незаполненная четвертая ковалентная связь у трехвалентного атома, расположенного в узле кристаллической решетки, относительно легко заполняется валентным электроном одного из соседних атомов. Трехвалентный примесный атом, захвативший лишний электрон, превращается в неподвижный отрицательный ион, а на месте разрушенной ковалентной связи двух соседних атомов появляется дырка.

При такой примеси, получившей название акцепторной, концентрация дырок в кристалле резко возрастает и его электропроводность приобретает дырочный характер (p-типа).

С точки зрения зонной теории акцепторная примесь образует локальную валентную зону вблизи потолка валентной зоны, на относительно малом расстоянии Wp(0,01…0,05 эВ).

Электропроводность кристалла, обусловленная примесями, получила название примесной электропроводности.

Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках. Под действием электрического поля Е в кристалле полупроводника появляется упорядоченное движение – "дрейф" электронов и дырок, т.е. возникает электрический ток, называемый дрейфовым током.

Механизм дрейфа электронов проводимости в полупроводнике отличается от движения электронов в вакууме под действием силы электрического поля. В полупроводнике электроны проводимости, совершая тепловое хаотическое движение, испытывают столкновения с колеблющимися атомами кристаллической решетки, с атомами примесей и другими неоднородностями кристаллической решетки. Столкновения не всегда носят упругий характер. Например, ионизированные атомы примеси могут захватывать электрон и высвобождать его через некоторый промежуток времени. Если скорость дрейфа существенно меньше скорости теплового движения электронов, то она оказывается прямо пропорциональной напряженности электрического поля, т.е. v =_nE. Коэффициент пропорциональности _n называется подвижностью электронов. Этот коэффициент численно равен средней скорости движения электронов проводимости в кристалле при напряженности поля 1 В/см.

Аналогичные процессы происходят и при дрейфе дырок в полупроводнике при воздействии на них электрического поля. Но так как механизм перемещения дырок связан фактически с перемещением валентных электронов, а не электронов проводимости, их подвижность оказывается меньше (примерно в 2 раза) подвижности электронов.

Дырки и электроны проводимости, несущие разные по знаку заряды, дрейфуют в противоположных направлениях, создавая дрейфовые токи дырок и электронов одного направления.

Учитывая, что плотность электронного и дырочного токов определяются выражениями:

и ,

(1)

легко получить выражение для суммарной плотности дрейфового тока электронов и дырок:

,

(2)

где  = e(n_n +p_p) – удельная проводимость полупроводника;

n и p – концентрации электронов и дырок в полупроводнике соответственно. ..

В полупроводниках электрический ток вызывается не только электрическим полем, но и неравномерным распределением подвижных носителей заряда (электронов и дырок) по объему кристалла. Если по каким-либо причинам концентрация подвижных носителей в различных точках полупроводника неодинакова, то в соответствии с общими законами теплового движения в этом полупроводнике появляется некоторое упорядоченное перемещение носителей заряда в направлении уменьшения их концентрации, то есть возникает диффузионный электрический ток. Направление этого тока совпадает с направлением диффузии дырок. Плотность диффузионного тока пропорциональна градиенту концентрации носителей:

	(3)
	(4)

Здесь D_n и D_p – коэффициенты диффузии электронов и дырок соответственно.