Электропроводность полупроводников

Тема: Электропроводность полупроводников. P-n переход.

Электрический ток в веществе создается перемещением свободных носителей заряда под действием электрического поля. Чем выше концентрация свободных носителей (на­пример, свободных электронов) в веществе, тем выше удельная электрическая проводимость вещества. В про­водниках концентрация свободных носителей превышает 10²² см^-3 и удельная проводимость проводников состав­ляет

10³—10⁶ См/см. Удельная электрическая проводи­мость диэлектриков не превышает 10^-10 См/см, так как в них концентрация свободных носителей заряда ничтожно мала. Полупроводники занимают промежуточное положе­ние. К ним относятся многие химические элементы и соединения. Для производства полупроводниковых прибо­ров применяют германий, кремний, селен, карбид кремния, арсенид галлия и некоторые другие.

Германий и кремний — четырехвалентные элементы. Их кристаллическая решетка состоит из атомов, каждый из которых имеет ковалентные связи с четырьмя соседни­ми. Плоская модель такой решетки представлена на рис. 12.1. Атомы полупроводника изображены в виде больших светлых кружков. Электроны, образующие кова­лентные пары, показаны в виде затемненных кружков. При температуре абсолютного нуля (Т = 0 К) и отсутствии внешних воздействий все ковалентные связи заполнены.

Электроны, входящие в ковалентные связи, не могут пе­ремещаться по кристаллу под действием электрического поля. При отсутствии других свободных носителей такой полупроводник не будет проводить электрический ток.

Для того чтобы освободить электроны от ковалентных связей, надо затратить определенную энергию ∆W. Обычно эта энергия выражается в электрон-вольтах (1 эВ = = 1,6* 10^-19 Дж). Для германия ∆W составляет 0,78 эВ, а для кремния 1,21 эВ.

Освобождение электронов от связей при нагревании полупроводника называют термогенерацией носите­лей. Свободный электрон начинает хаотически переме­щаться между атомами. Его место в ковалентной связи может занять любой другой электрон, при этом последний оставляет незаполненную связь уже в другом месте, возле другого атома. Эта незаполненная связь тоже хаотически перемещается по кристаллу в результате такого обмен­ного перехода электронов. Для удобства такую связь рас­сматривают как частицу с положительным зарядом, равным заряду электрона, и называют дыркой. Следова­тельно, термогенерация приводит к образованию в полу­проводнике двух видов свободных носителей заряда — электронов (п) и дырок (р).

Термогенерация носителей при Т > 0 К происходит по­стоянно. Свободные носители (дырки и электроны) незави­симо друг от друга перемещаются по кристаллу. Однако время их существования ограничено. В какой-то момент свободный электрон вновь заполняет ковалентную связь. Этот процесс называется рекомбинацией. В результа­те рекомбинации пара носителей исчезает. Таким образом, в полупроводнике одновременно идут два противополож­ных процесса: термогенерация и рекомбинация. За счет этого в полупроводнике устанавливается равновесная концентрация электронов и дырок, которая зависит от тем­пературы полупроводника. Так как носители возникают и исчезают парами, то концентрация электронов п_i равна концентрации дырок р_i.

Такую электропроводность полу­проводника называют собственной.

Электроны легче освобождаются от связей в том полу­проводнике, у которого ∆W меньше. Так, при комнатной температуре концентрация носителей в германии составля­ет около 10¹³ см^-3, а в кремнии — 10¹⁰ см^-3. Соответствен­но удельное сопротивление германия 50 Ом • см, а крем­ния — 10⁵ Ом • см.

Тип электропроводности полупроводника можно изме­нить, вводя в полупроводник примеси. Примеси могут быть донорные и акцепторные.

В качестве донорных примесей используют фос­фор, мышьяк, сурьму и другие элементы пятой группы периодической системы. Атомы примеси замещают в кри­сталлической решетке атомы германия или кремния. На рис. 12.2 показана модель такой решетки. Пятивалентный атом примеси образует четыре ковалентные связи с сосед­ними атомами полупроводника. Пятый валентный элект­рон связан только с атомом примеси. Энергия такой свя­зи в десятки раз меньше энергии ковалентной связи и составляет около 0,01 эВ.

При температуре Т > 0 К в первую очередь освободят­ся электроны с меньшей энергией связи, т. е. электроны до­норов. Уже при комнатной температуре все атомы доноров потеряют свои электроны и превратятся в положительные ионы. При этом процессе ковалентные связи остаются заполненными, т. е. дырок не образуется. Такой полу­проводник называют полупроводником типа п или полу­проводником с электронной электропроводностью. Кон­центрацию электронов в нем обозначают п_n, а дырок р_n:

п_n р_n

Относительно небольшое количество дырок получается за счет ионизации атомов самого полупроводника. Элект­роны в n-полупроводнике называют основными носителя­ми, а дырки — неосновными.

К акцепторным примесям относятся трех­валентные элементы, такие как бор, индий, алюминий. Мо­дель кристаллической решетки полупроводника с атомом индия в качестве примеси показана на рис. 12.3. Три валентных электрона атома примеси заняты в трех кова­лентных связях с атомами полупроводника. Четвертая связь незаполнена. Ее может заполнить любой электрон из соседней связи. Атом примеси превращается в отри­цательный ион (у него теперь на один электрон больше, чем нужно), а рядом образуется дырка.

Так как при таком процессе все электроны остаются связанными, то

р_n п_n

Полупроводник с акцепторной примесью называют полупроводником типа р или полупроводником с дырочной электропроводностью. Дырки в нем являются основными носителями.

В примесных полупроводниках тип электропроводно­сти определяется концентрацией примеси только до опре­деленной температуры. Концентрация примесей в полупро­водниках составляет 10^-5—10^-7 %. При комнатной температуре почти все атомы примесей ионизированы. При повышении температуры начинается термогенерация носителей за счет собственных атомов, при которой обра­зуется равное число дырок и электронов. Когда собствен­ных атомов будет ионизировано значительно больше, чем было атомов примеси, то концентрации электронов и дырок практически будут равны. Полупроводник перейдет в состояние собственной электропроводности. Примеси перестанут оказывать влияние на концентрацию носите­лей. При этом нарушается нормальная работа многих полупроводниковых приборов. Поэтому для них вводится предельная температура. Чем больше энергия связи полу­проводника, тем предельная температура выше. Так, для германия она составляет 75 °С, а для кремния — 125 °С.

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Электронно-дырочным или р—n-переходом на­зывают переходный слой у границы раздела двух областей полупроводника с различным типом электропроводности. Он составляет основу многих полупроводниковых при­боров.

Модель р—n-перехода показана на рис. 12.4, а. Ионы примесей изображены квадратиками, а электроны и дырки — соответственно темными и светлыми кружками.

В области р основными носителями являются дырки, а ионизированные атомы примесей представляют собой от­рицательные ионы. В равновесном состоянии эта область электрически нейтральна, так как концентрация дырок равна концентрации ионов. В области п основные носи­тели — электроны, а атомы доноров — положительные ионы. Эта область также нейтральна. При возникновении контакта между такими областями носители стремятся равномерно распределиться по всему объему. Начинается диффузия дырок из области р в область п и электронов в обратном направлении. Дырки и электроны подходят к границе раздела областей и здесь рекомбинируют. Так как часть дырок и электронов исчезает, то соответ­ствующее число ионов примесей оказывается нескомпенсированным. Здесь возникают избыточные объемные заря­ды (рис. 12.4,6).

Из области р ушли дырки и остались нескомпенсированные отрицательные ионы примесей, поэтому здесь образуется отрицательный объемный разряд — Q. По этой же причине в области п у границы раздела создается положительный объемный заряд + Q. Между объемными зарядами возникает электрическое поле, вектор напря­женности которого Е_q направлен из области п в область р.

В установившемся состоянии поле объемных зарядов полностью затормозит диффузию. В результате этого возни­кает зона с низкой концентрацией носителей, в которой существует электрическое поле. Эта зона и есть р –n -пе­реход. Ширина р-n -пе­рехода составляет около 0,1 — 1 мкм и зависит от концентрации примесей в по­лупроводниках. Разность потенциалов между р-об­ластью и n-областью полупроводника для германия — 0,3—0,4 В.

При включении кристалла полупроводника с р-n - переходом в электрическую цепь состояние перехода ме­няется.

При подключении источника питания положительным полюсом к области р, а отрицательным — к области n электрическое поле, создаваемое источником, направлено против поля объемных зарядов. Основные носители начнут двигаться к переходу и через переход потечет электри­ческий ток. Так как концентрация основных носителей велика, то даже при небольшом напряжении ток будет значительным. Такое включение р-n -перехода называют прямым, а состояние перехода — открытым.

Если поменять полярность источника питания, то его поле будет направлено согласно с полем объемных заря­дов. Под действием суммарного электрического поля ос­новные носители отойдут от перехода. Зона объемных зарядов станет шире. В этом случае включение р-n -перехода называют обратным. Через переход могут про­ходить только неосновные носители, а так как их кон­центрация на много порядков ниже, чем основных, то и обратный ток на несколько порядков меньше прямого.

Такое состояние перехода на­зывается закрытым.

Зависимость тока через переход от приложенного напряжения называют вольт-амперной характе­ристикой (ВАХ) перехода. Ее общий вид показан на рис. 12.6. Часть характеристики I_np — f(U_np) называют прямой ветвью. Она соответствует прямому включению перехода. Обратная ветвь характеристики I_обр = f(U_обр) соответствует закрытому состоянию перехода. Обратный ток создается неосновными носителями, а их концентра­ция в полупроводнике ограничена. Поэтому уже при малых напряжениях наступает насыщение, т. е. все носители участвуют в создании тока. Концентрация неоснов­ных носителей заряда зависит от температуры. С увели­чением температуры на каждые 10° обратный ток уве­личивается для германия в 2 раза, а для кремния — в 2,5 раза.

Концентрация неосновных носителей заряда зависит от энергии связей электронов с атомами самого полупро­водника. У германия эта энергия значительно меньше, чем у кремния. Поэтому концентрация неосновных носителей в германии будет значительно выше и обратный ток почти на порядок больше, чем в кремнии.

Если U_обр постепенно повышать, то при определенном значении напряжения обратный ток через переход резко увеличивается — происходит пробой перехода. Мож­но выделить два основных вида пробоя: электрический и тепловой. При электрическом пробое напряжение на переходе поддерживается почти постоянным. При отклю­чении перехода от источника его свойства восстанавли­ваются. При тепловом пробое область р-n -перехода разогревается и переход разрушается. Электрический про­бой может существовать длительно, если не перейдет в тепловой.

При повышении температуры окружающей среды ухудшается теплоотвод и напряжение теплового пробоя уменьшится. Поэтому полупроводниковые приборы монти­руются на радиаторах, имеющих большую поверхность охлаждения.