Лекция 1.

Общие сведения о полупроводниках..

Полупроводниковые материалы встречаются в природе довольно часто, но далеко не все из них находят применение при создании полупроводниковых приборов электроники. В основном находят применение следующие:

1. Элементы, IV группа таблицы Менделеева германий (Ge), кремний (Si). Используются в основном в транзисторах, диодах, тиристорах.

2. Соединения III и V групп таблицы Менделеева, условное обозначение A^III B^V (арсенид галлия, GaAs, антимонид индия, InSb, фосфиды). Область применения – приборы для сверхвысоких частот (СВЧ), фотоприборы, светоизлучающие приборы.

3. Другие полупроводниковые соединения

Несмотря на различную принадлежность к группам у названных материалов имеются общие свойства, благодаря которым они и относятся собственно к полупроводникам. Это следующие.

1) По удельной проводимости они занимают промежуточное положение между диэлектриками и металлами, 10 ^-2 – 10 ⁴ Ом/см.

2) Удельное сопротивление сильно зависит от наличия примесей, от температуры, от радиационных излучений.

Тема, о которой пойдет речь ниже, подробно изучается в разделе «Физика твердого тела» общего курса физики. Здесь же будут приведены только основные нужные нам определения.

Все полупроводниковые материалы имеют кристаллическую структуру. В узлах кристалла находятся атомы, состоящие из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг него. Это структура известна как модель атома Бора (рис. 1). Электроны имеют различные энергии (энергетические состояния).

Рис. 1 Модель атома

На внешней оболочке четырехвалентного полупроводника находится четыре электрона, благодаря которым между атомами возникает так называемая ковалентная связь. У одиночного атома энергетические состояния электронов занимают определенные уровни. При объединении атомов в кристаллическую решетку, каждый электрон испытывает воздействие не только своего атома, но и соседних и уровни расщепляются на энергетические зоны (рис. 2). В итоге этого формируется энергетическая диаграмма полупроводника, состоящая в общем случае из нескольких разрешенных зон, разделенных запрещенными зонами. В разрешенных зонах могут находится электроны, а в запрещенных нет. На рис. 2 показаны две разрешенные зоны: нижняя зона – валентная и верхняя зона – зона проводимости. Такая энергетическая диаграмма у полупроводниковых материалов германия, кремния и арсенида галлия.

Рис. 2. Энергетическая диаграмма полупроводника

В дальнейшем энергетическую диаграмму полупроводника будем показывать состоящей из 3-х зон. Электропроводность полупроводника зависит от ширины зоны. Популярные материалы следующие зоны: Ge W = 0.72 эВ, Si W = 1.13 эВ, GaAs W = 1.32 эВ. Чем меньше W, темь меньше и удельное сопротивление материала. Таким образом, из приведенного ряда германий самый низкоомный полупроводник.

Внесение примесей влияет на проводимость и находит отражение в энергетическом состоянии. Напомним, что валентность кристалла равна четырем.

При добавлении 5-и валентной примеси, ее четыре электрона вступают в ковалентную связь с атомами основного вещества, а четвертому электрону связи нет. При относительно слабом энергетическом воздействии он может уйти от своего атома и превратится в свободный, подвижный носитель. Такой кристалл обладает электронной проводимостью, а 5-и валентная примесь называется донорной.

При добавлении 3-х валентной примеси, три электрона вступают в связь. Для четвертого электрона атома полупроводника связи нет. При слабых энергетических воздействиях может разорваться связь между соседними атомами и электрон с этой связи захватится атомом примеси (акцепторная примесь). В свободном же месте от электрона образуется положительно заряженное место, которое называется дыркой. В это место могут приходит электроны с соседней ковалентной связи, оставляя после себя дырку. Так возникает механизм дырочной проводимости. Дырка имеет положительный заряд, хотя и обязана своим существование электрону.

Заметим, что в металлах проводимость обеспечивается электронами, а в полупроводниках либо электронами (n-полупроводники), либо дырками (p-полупроводники), либо, если примесей нет, и электронами и дырками (i-полупроводники).

Изложенный механизм проводимости находит отражение в энергетическом состоянии полупроводника. При внесении примесей в энергетической диаграмме возникают дополнительные примесные разрешенные уровни при небольших концентрациях примесей и даже примесные зоны при значительных. В последнем случае полупроводники называются вырожденными.

На рис.3 приведены энергетические диаграммы полупроводников.

а) б) в)

Рис.3 Энергетические диаграммы полупроводников,

а) без примесей, б) с 5-и валентной примесью, в) с 3-х валентной примесью

Вероятности нахождения электрона на определенном уровне энергии определяется статистическими законами, которых существует несколько (статистика Максвелла, Ферми и т. д.). Наиболее популярен статистический закон Ферми, который определяет вероятность электрона на уровне W :

,

здесь Wf – энергия Ферми(не трудно видеть что вероятность нахождения на этом уровне равна 0.5), k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура. Положение уровня Ферми на энергетической диаграмме зависит от примесей. В чистом полупроводнике он в середине запрещенной зоны, в электронном – вблизи зоны проводимости, а в дырочном – вблизи валентной (рис.3).

Уже при комнатной температуре в кристалле идут процессы генерации и рекомбинации носителей. В чистом полупроводнике электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости, оставляя после себя дырку. Таким образом рождается электронно – дырочная пара. И электроны, и дырки способны переносить электрический ток в равной степени. Наряду с этим идет обратный переход, электрон спускается в валентную зону, соединяется с дыркой и в кристалле образуется нейтральное место. Этот процесс называется рекомбинацией.

Несколько иначе эти процессы идут в примесных полупроводниках. Обратите внимание на рис.3, между примесными уровнями и разрешенными зонами имеется весьма небольшой энергетический зазор, что облегчает генерацию носителя тока.

Именно благодаря этому, в n-полупроводнике, каждый атом примеси отдает свой электрон в пространство, а на месте примеси остается неподвижный положительно заряженный ион.

Подобная картина имеет место в p-полупроводнике; образуется подвижный положительный заряд (дырка) и неподвижный отрицательный ион.

Подробно вопросы проводимости, энергетических состояний изложены в соответствующих разделах физики.

Конактные явления в полупроводниках.

Здесь речь пойдет о свойствах контактов полученных из полупроводниковых материалов; это

а) p – n переход,

б) контакты p⁺-p и n⁺-n, + означает материал с повышенной концентрацией примеси,

в) p- полупроводник – металл и n- полупроводник – металл (контакты Шоттки),

г) несимметричные контакты, в которых концентрации примесей различны в областях полупроводника (N – концентрация примесей в 1/см³ Nn > Np или Np > Nn),

д) гетероконтакты выполненные из полупроводников различного типе , например, дырочный германий (p-Ge) и электронный кремний (n-Si).

Вспомним свойства обычного p-n перехода. На рис. 4 показана его простейшая структура, хотя существует довольно много технологий его изготовления (сплавная, точечная, меза и др.), которые придают ему особые свойства.

Рис. 4 Структура простейшего контакта, p-n перехода

По законам диффузии концентрации электронов и дырок стремятся выровняется, поэтому носители из приконтактных областей уходят в область пониженной концентрации (дырки из p в n, электроны наоборот). Атом примеси лишается носителя и в кристалле образуются неподвижные ионы (см. рис. 4). За счет этих зарядов возникает электрическое поле Евн, препятствующее движению носителей, процесс диффузии прекращается. Итог таков.

- В области контакта образовался слой не содержащий носителей тока, по существу слой диэлектрика (запирающий слой).

-Если его не убрать, контакт не будет проводить электрический ток.

Электрическое поле контакта создает потенциальный и энергетический (Wб) барьеры для носителей и это отражается на энергетической диаграмме. Построим ее (рис. 5), вспомнив положение уровней Ферми в примесных полупроводниках.

Рис. 5 Энергетическая диаграмма p-n перехода

Сам p-n переход это слой обедненный подвижными носителями, по сути слой диэлектрика.

Далее будем подавать на переход напряжение от внешнего источника ЭДС. При подаче «+» в p область а «–» в n область кристалла на переходе возникает внешняя напряженность электрического поля Евнеш направленная навстречу Е вн (см. рис. 4). Результирующее поле уменьшается, запирающий слой исчезает и структура переходит в состояние проводимости. Это напряжение называется прямым, Uпр. На энергетической диаграмме происходит деформация уровня Ферми в сторону уменьшения энергетического барьера, рис. 6. Ток через переход обеспечивается основными носителями, количество которых велико.

Рис.6 Прямое напряжение на переходе

При смене полярности источника (обратное напряжение на переходе) происходит обратная картина. Энергетический барьер на переходе возрастает, проводимость ухудшается и тока практически не будет. Весьма небольшой обратный ток возникнет за счет неосновных носителей, то-есть тех немногочисленных электронов, которые есть в «p» области кристалла и дырок, которые есть в «n» области. Суммарный ток неосновных носителей называется током насыщения I₀.

Контакты типа p⁺-p и n⁺-n обладают очень слабыми нелинейными свойствами, в специальных приборах не применяются и используются как омические контакты, например, при создании вывода из p и n областей.

Контакты Шоттки на основе соединения металла и полупроводника обладают интересными свойствами, которые зависят от подбора материалов (рис. 7). В физике твердого тела существует понятие «работа выхода электрона W»; это энергия, которую необходимо затратить электрону для выхода из тела в окружающее пространство.

Рис. 7. Контакт «металл-полупроводник»

Допустим, есть контакт металла и «n» полупроводника их работы выхода находятся в следующем соотношении. При таком соотношении работ, электроны из металла будут переходить в полупроводник и насыщать его приконтактный слой. Проводимость этого слоя увеличивается. В структуре все области обладают хорошей проводимостью. Таким образом, сформировался обычный проводящий (омический) контакт. Иная картина получится при обратном соотношении работ выхода, Wм>Wn. Теперь уже электроны уходят из полупроводника в металл. К электронам в металле, которых очень много добавляются перешедшие, которые практически не меняют его проводимость. А вот электроны ушедшие из полупроводника ухудшают его проводимость, обнажают атомы примеси, за счет чего на контакте образуется электрическое поле. В итоге возник энергетический барьер, как и в «p-n» переходе, но обладающий особыми свойствами, это

-высокое быстродействие,

-небольшой порог открывания.

Контакт с такими свойствами называется диодом Шоттки.

Несимметричные контакты – это p-n переходы в которых концентрация примесей в p и n областях различна. Такой контакт обозначается p+-n (или p-n+) и показан на рис. 8.

При прямых напряжениях большее количество дырочной примеси обеспечивает прямой ток в основном за счет дырочных носителей. В этом основное отличие несимметричного перехода от симметричного. Область с повышенной концентрацией примеси называется эмиттером, а с пониженной – базой.

Рис.8 Несимметричный контакт

Такой же результат получается и у гетероперехода. На рис.9 показана энергетическая диаграмма контакта кремния и арсенида галлия.

Рис. 9 Гетеропереход

Так как ширина запрещенной зоны у этих материалов различна, Wз1<Wз2, возникают различные по высоте энергетические барьеры для электронов и дырок. В данном случае барьер для электронов Wб значительно меньше чем для дырок. При подаче прямого напряжения в первую очередь исчезает препятствие для движения электронов и прямой то перехода это ток электронов.

Для несимметричных и гетеропереходов вводится показатель – коэффициент инжекции γ, равный отношению тока преобладающих носителей к прямому суммарному току через открытый переход, γ=In/(In+Ip).

Сведения этого раздела подробно изложены в курсе физики.