Электрические свойства полупроводников

Важнейшие элементарные полупроводники, такие как кремний и германий, имеют структуру алмаза, а многие полупроводниковые кристаллы типа А²В⁶ или А³В⁵ (например, CdS, SdTe, GaAs, GaP, InSb, InP, AlP, AlSb, ZnS и др.) имеют структуру типа сфалерита.

Основной тип химической связи в полупроводниках – ковалентный. Типично ковалентная связь (ковалентная неполярная) возникает при обобществлении валентных электронов соседних атомов и наблюдается у элементов IVB-подгруппы периодической системы (Si, Ge), каждый атом которых имеет по четыре валентных электрона. Для образования связи каждый атом может принять по четыре электрона от каждого из четырех соседних атомов и столько же электронов отдать им, оставаясь при этом электронейтральным. Таким образом, между атомами происходит обмен электронами с образованием стабильной восьмиэлектронной валентной оболочки у каждого из них.

Алмазоподобными являются также полупроводниковые соединения А³В⁵, которые образуются элементами IIIB- (B, Al, Ga, In) и VB- (N, P, As, Sb) подгрупп периодической системы и представляют собой электронные аналоги Si и Ge. Атомы элементов III группы имеют по три валентных электрона, а V группы – по пять. Таким образом, на один атом в этих соединениях приходится в среднем по четыре валентных электрона. Поскольку электронные облака в такой связи стянуты к более электроотрицательному атому В, то она оказывается не полностью ковалентной, а частично ионной (такая связь называется ковалентной полярной). При этом А оказывается заряженным положительно, а В-отрицательно.

Еще сильнее ионная составляющая химической связи выражена в соединениях А²В⁶ (ZnTe, ZnSe, CdTe, CdS и т.д.). Наконец, имеются полупроводники с ионными связами – халькогениды свинца (PbS, PbSe, PbTe).

Качественной характеристикой химической связи соединения является его средний атомный номер Z_ср.

Для простых соединений А³В⁵ и А²В⁶

Z_ср=(Z_A+Z_B)/2 (1.22)

В пределах одного класса соединений с ростом Z_ср возрастает тенденция перехода от ковалентной к ионной связи. Это приводит к уменьшению прочности связи; уменьшаются также ширина запрещенной зоны, температура плавления, удельное электросопротивление.

Носители заряда. Собственные носители.В результате обмена электронами между атомами при образовании ковалентной связи электропроводность не возникает, так как распределение электронной плотности фиксировано (по два электрона на связь между каждой парой соседних атомов). Под действием внешнего энергетического воздействия (например, нагревание, облучение) может произойти разрыв одной из связей, и электрон покидает ее, становясь в кристалле свободным. Он хаотически передвигается по кристаллу в отсутствие электрического поля. Отсутствие электрона у одной из связей атома называется дыркой и означает наличие положительного заряда, равного по значению заряду ушедшего электрона. Дырка, так же как и электрон, хаотически передвигается по кристаллу, так как электрон соседней связи может занимать место ушедшего электрона.

Полупроводник, электропроводность которого обусловлена движением собственных носителей заряда, называется собственным.

Образование пары электрон – дырка называется генерацией носителей заряда. Такая генерация возможна при условии, если энергия электрона превышает ширину запрещенной зоны Е_g; в этом случае электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости (т.е. покидает потенциальную яму собственного атома и отрывается от него); а в валентной зоне образуется дырка. Таким образом, ширина запрещенной зоны соответствует минимальной энергии, которую необходимо затратить для того, чтобы вырвать электрон из ковалентной связи. Отметим, что если энергия электрона не превосходит Е_g, возможно образование электрически нейтральной связанной пары электрон – дырка, называемой экситоном. Экситоны могут играть существенную роль, например, в образовании центров окраски в щелочно-галоидных кристаллах.

В идеальном кристалле концентрации электронов и дырок равны и растут с увеличением числа нарушений ковалентных связей.

В то же время из-за наличия примесей и структурного несовершенства в запрещенной зоне могут присутствовать уровни разрешенных для электронов энергий. Эти уровни могут быть заняты электронами или оставаться вакантными. Если электрон переходит из валентной зоны на разрешенный вакантный уровень в запрещенной зоне или с занятого уровня в зону проводимости, то происходит генерация примесных носителей заряда.

Примесные носители. Источниками примесных носителей заряда является электрически активные примесные атомы. Ими могут быть атомы элементов, образующие с полупроводником твердые растворы замещения или внедрения и имеющие валентность, отличную от валентности основных атомов. Примесные атомы подразделяются на:

· доноры, отдающие избыточные электроны, поскольку имеют большую валентность;

· акцепторы, захватывающие валентные электроны основного вещества, так как имеют меньшую валентность;

Доноры создают в полупроводнике электронную проводимость (проводимость n-типа), акцепторы – дырочную (проводимость p-типа). Соответствующие полупроводники называются электронными (n-типа) и дырочными (p-типа). Для элементарных полупроводников (Si, Ge) донорами являются примеси атомов V группы (P, As, Sb), акцепторами – III группы (B, Al, Ga, In). Донорные и акцепторные примеси называются легирующими. Под легированием подразумевают создание полупроводника с заданным типом проводимости с помощью введения в его состав легирующих примесей. Атом мышьяка имеет пять валентных электронов, атом кремния – четыре, т. е. один электрон мышьяка не участвует в образовании ковалентной связи. Он связан со своим атомом силой кулоновского взаимодействия, энергия которого соизмерима при комнатной температуре с энергией теплового движения (kT~0,03эВ). Поэтому пятый электрон мышьяка легко отрывается от своего атома и становится свободным, а сам атом – положительно заряженным ионом.

Создание полупроводников с определенным типом проводимости является очень важным, так как принцип действия многих полупроводниковых приборов основан на примесной электропроводности.

Поскольку для ионизации как донорной, так и акцепторной примесей необходима энергия, меньшая, чем нужно для разрыва ковалентной связи, т.е. для образования собственных носителей (Е_пр<E_соб), электропроводность полупроводников п- и р-типа определяется соответственно электронами и дырками, образовавшимися при ионизации примеси. Такие носители называются основными. В полупроводнике п-типа основными носителями являются электроны, неосновными – дырки; в полупроводнике р-типа, наоборот, основные носители – дырки, а неосновные – электроны.

Наряду с генерацией носителей заряда в полупроводнике происходят процессы рекомбинации, при которых электроны из зоны проводимости пары возвращаются в валентную зону, что приводит к исчезновению пары электрон – дырка. Время существования носителя от его генерации до рекомбинации называется временем жизни. Время жизни электрона _п и дырки τ_р соответственно

_п ~1/(рυ_п), τ_р ~1/(nυ_p) (1.23)

где п, р – концентрация электронов и дырок; υ_п, υ_р – скорость движения электрона относительно дырки и дырки относительно электрона соответственно.

В реальных полупроводниках время жизни свободных носителей заряда составляет 10^-2 – 10^-8 с, а для стабильной работы полупроводниковых приборов оно должно быть не менее 10^-5с.

Расстояние, которое носитель успевает пройти за время жизни, называется диффузионной длиной. Диффузионная длина электрона L_n и дырки L_p связана с временем жизни и коэффициентом диффузии заряда соответствующего знака (D_n и D_p) соотношениями:

, (1.24)

Время жизни и диффузионная длина тем больше, чем меньше в полупроводнике примесей и других дефектов.