Тема 6. Полупроводники

Полупроводники по удельному сопротивлению (r_v = 10^-5 –10⁷ Ом_*м) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. При этом они обладают совокупностью специфических свойств, которые и выделяют их среди других веществ.

Для полупроводников характерна сильная зависимость значения удельной проводимости от вида и количества примеси, от величины внешних воздействий – света, температуры, облучения ядерными частицами, давления и т.д.

Согласно зонной теории твердого тела у полупроводников между валентной зоной и зоной проводимости имеется запрещенная зона. При температуре абсолютного нуля и в отсутствии внешнего воздействия их валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости свободна от электронов. К полупроводникам условно относят вещества с шириной запрещенной зоны DЕ =0,05 – 3 эВ.

В таблице приведены значения ширины запрещенной зоны наиболее часто используемых в электронике полупроводников

материал	Si	Ge	Se	SiC	InP	InAs	InSb	GaSb	GaAs	GaN	TiO2	ZnO	ZnS
Энергия (300 К)	1,12	0,67	1,74	2,36	1,27	0,355	0,17	0,69	1,42	3,37	3,2	3,37	3,56

Виды проводимости.

Собственная проводимость

Рассмотрим теперь структуру собственного (беспримесного) полупроводника. Монокристаллические полупроводники представляют собой кристаллы с регулярной структурой. Кристаллическая решетка кремния (германия) называется тетраэдрической или решеткой типа алмаза. Она характерна для всех четырехвалентных элементов. Для определенности будем рассматривать структуру кремния. Это справедливо хотя бы потому, что приблизительно 97% всех изделий полупроводниковой электроники на сегодняшний день выполняются на основе кремния.

Связь атомов в кремнии устанавливается вследствие наличия специфических обменных сил, возникающих при парном объединении валентных электронов. У соседних атомов кремния появляются общие отбиты, на которых в соответствии с фундаментальным положение физики, называемым принципом запрета Паули, находится не более двух электронов. Поскольку атом кремния имеет четыре валентных электрона, то он использует эти электроны для связи с четырьмя другими атомами, которые, в свою очередь, также выделяют по одному валентному электрону для связи с каждым из своих четырех соседних атомов. Таким образом, получается, что любой атом кремния связан с каждым из четырех соседних атомов общей орбитой, причем на этой общей орбите находится два электрона. Такая связь атомов называется ковалентной.

Рис. 1

На рис. 1. приведена упрощенная модель решетки (а) и зонная энергетическая диаграмма (б) для беспримесного кремния. На этом рисунке между каждыми двумя атомами кремния проведены две связывающие их прямые линии. Каждая такая линия символизирует собой наличие электрона на общей орбите у этих атомов. Ее принято называть связью (валентной связью). Валентный электрон, находящийся в такой связи, по энергии расположен в валентной зоне.

Электроны во всех связях будут присутствовать только при температуре абсолютного нуля. По мере нагревания полупроводника происходит нарушение связей, т.е. некоторые валентные электроны получают тепловую энергию, необходимую для их перехода в зону проводимости (рис. 1, б). Такой переход соответствует ионизации атома и выходу из связи электрона (рис. 1, а). Появившиеся свободные электроны будут принимать участие в образовании тока в полупроводнике (при приложении напряжения к полупроводнику).

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это приводит к возможному переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит электрон из другого атома и т.д. Это обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.

Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.

С повышением температуры возрастает число свободных электронов в зоне проводимости и число вакантных уровней в валентной зоне. Очевидно, что этот процесс будет проходить интенсивнее в полупроводниках с узкой запрещенной зоной.

Перемещение дырки (положительного заряда) соответствует встречному перемещению валентного электрона (из связи в связь). Отметим, что процесс образования свободного электрона и дырки принято называть генерацией носителей заряда. Поскольку в рассматриваемом случае генерация происходит под действием тепла, то ее можно назвать термогенерацией.

Появление электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне на энергетической диаграмме (см. рис. 1, б) представлено в виде кружочков с соответствующими знаками зарядов. Стрелкой обозначен переход электрона из валентной зоны в зону проводимости.

Таким образом, за счет термогенерации в собственном (беспримесном) полупроводнике, который принято обозначать буквой i, образуются два типа подвижных носителей заряда: свободные электроны n и дырки p, причем их число одинаково (n = p). Эти носители заряда иногда называют собственными, а электропроводность, ими обусловленную, - собственной электропроводностью.

1 – зависимость для кремния,

2 – зависимость для германия

Рис. 2. Зависимость удельной электропроводности собственного полупроводника от температуры

Из графиков видно, что чем шире запрещенная зона, тем ниже располагается прямая, т.е. тем ниже удельная электропроводность при одной и той же температуре.

В полупроводниковой электронике, в отличие от собственной электропроводности, наиболее части используют примесную электропроводность, характерную для примесных полупроводников.

Примесная проводимость – создается путем легирования основного материала примесью.

Примесные полупроводники в отличии от собственных, содержат донорные или акцепторные примеси.

Электронная проводимость – донорная примесь (элементы пятой группы таблицы Менделеева (валентность 5) As, P, Sb)

Если в полупроводник 4-ой группы таблицы Менделеева (валентность 4) ввести в качестве примеси элемент 5-ой группы, например мышьяк (As), то атому примеси для завершения ковалентных связей с атомами основного вещества необходимо четыре валентных электрона. Пятый электрон атома примеси связан только со своим атомом силой кулоновского взаимодействия. Энергия этой связи невелика (0,01 эВ - 0,05 эВ). Таким образом, энергетический уровень ε_д пятого валентного электрона на зонной диаграмме располагается в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости и называется донорным уровнем (рис. 4).

Рис. 3.

Величина DЕ_д характеризует энергию, необходимую для возбуждения донорных электронов.

Рис. 4. Энергетическая диаграмма, соответствующая донорному полупроводнику.

На этом уровне при очень низкой температуре и будет находиться избыточный электрон фосфора. При незначительном повышении температуры он переходит в зону проводимости и становится свободным. Нейтральный атом фосфора при этом превращается в положительный ион (его заряд обусловлен отсутствием валентного электрона). Количество энергии, необходимое для отделения избыточного электрона и образования иона, называется энергией активации (ионизации) примеси. Очевидно, что ион прочно связан с кристаллической решеткой и не может перемещаться подобно дырке.

Таким образом, появление в кремнии атома фосфора привело к образованию в зоне проводимости свободного электрона. Образование данного электрона не связано с существованием дырки. В реальных случаях вводится, конечно, далеко не единственный атом примеси (10¹⁴...10¹⁸ атомов / см³), поэтому и примесных уровней получается довольно много. Примесные уровни образуют примесную зону, которая в рассматриваемом здесь случае будет находиться в запрещенной зоне кремния вблизи зоны проводимости.

Атомы пятивалентной примеси принято называть донорами. Примесные разрешенные уровни, приносимые донорами, называют донорными. Примесные полупроводники, полученные за счет введения доноров, называются электронными, или полупроводниками n-типа. Электропроводность электронных полупроводников определяется свободными электронами, которые здесь являются основными носителями заряда. Дырки в полупроводнике n-типа являются неосновными носителями заряда. Дырок здесь очень мало (n_n ›› р_n), но они все-таки есть (дырки образуются за счет термогенерации подобно собственным носителям в беспримесном полупроводнике).

Итак, за счет введения донорной примеси образуется электронный полупроводник, электропроводность которого определяется электронами, причем число свободных электронов практически равно числу ионизированных доноров.

Если в полупроводник 4-ой группы таблицы Менделеева ввести в качестве примеси элемент 3-ей группы (валентность равна 3), например, В Jn, B, Ga, то все три валентных электрона примесного атома будут участвовать в образовании ковалентных связей. При этом одна из четырех связей с ближайшими атомами основного вещества окажется незавершенной. При воздействии даже небольшой тепловой энергии электрон одной из соседних заполненных валентных связей кремния может перейти в эту связь. Во внешней оболочке атома бора появляется лишний электрон, т. е. атом бора превращается в отрицательный ион. Ионизированная связь атома кремния (из которой электрон перешел к атому бора) несет собой уже положительный заряд, являясь дыркой.

Примесь, имеющую валентных электронов меньше, чем это необходимо для завершения связей между ближайшими атомами основного вещества, и вследствие этого способную захватить электроны соседней связи, называют акцепторной, а полупроводник с такой примесью – полупроводником с дырочной электропроводностью или полупроводником

р-типа.

Для того чтобы образовалась свободная дырка, необходима энергия меньшая, чем для разрыва ковалентной связи. Значит, локальные энергетические уровни акцепторной примеси расположены в запрещенной зоне полупроводника вблизи потолка валентной зоны. Таким образом электроны из валентной зоны переходят на акцепторный уровень (Рис. 5). При этом в валентной зоне образуется дырка. Положительно заряженный ион может заимствовать электрон от любого соседнего атома, что приведет к перемещению дырки по кристаллу.

Рис. 5

Рис. 6.

На энергетической диаграмме, соответствующей рассматриваемому здесь случаю (рис. 6), обозначен разрешенный энергетический (акцепторный) уровень ε_А, который принес с собой атом бора. Этот уровень будет не заполнен лишь при очень низкой температуре. При небольшом повышении температуры один из электронов валентной зоны переходит на акцепторный уровень, затратив при этом небольшую энергию, равную энергии активации примеси. Таким образом, получаются дырка (в валентной зоне) и ионизированный акцептор.

Электропроводность дырочного полупроводника определяется дырками, которые здесь являются основными носителями заряда. Электроны в полупроводнике р-типа являются неосновными носителями и их очень мало (р_р ›› n_p). Таким образом, за счет введения и активации акцепторной примеси образуется дырочный полупроводник, электропроводность которого определяется дырками, причем число и практически равно числу ионизированных акцепторов. При рассмотрении примесных полупроводников обычно используют понятие «концентрация примеси». Концентрацией называется число зарядов или частиц в единичном объеме (например, в 1 см³). Понятно, что чем больше концентрация доноров Nд, тем больше и концентрация электронов, а чем больше концентрация акцепторов N_А, тем больше концентрация дырок в полупроводнике.

Электропроводность дырочного полупроводника определяется дырками, которые здесь являются основными носителями заряд

В таблице сведены основные термины используемые в полупроводниковой технологии.

Примесь	Проводимость	Основные носители заряда	Полупроводник
-	Собственная	Электроны и дырки	Собственный
Донорная	Электронная	Электроны	n - типа
Акцепторная	Дырочная	Дырки	p - типа