Свое название полупроводники получили оттого, что они занимают промежуточное место между проводниками (металлы, электролиты, уголь), обладающими большой электропроводимостью, и изоляторами (фарфор, слюда, резина и другие), которые почти не проводят электрического тока.
Если сравнить удельное объемное сопротивление в Ом × см для различных веществ, то окажется, что проводники имеют: ρ U = 10 -6 - 10 -3 Ом × см; удельное сопротивление полупроводников: ρ U = 10 -3 - 10 8 Ом × см; а у диэлектриков: ρ U = 10 8 - 10 20 Ом × см. К полупроводникам относятся: окислы металлов - оксиды (Al 2 O 3 , Cu 2 O, ZnO, TiO 2 , VO 2 , WO 2 , MoO 3); сернистые соединения - сульфиды (Cu 2 S, Ag 2 S, ZnS, CdS, HgS); соединения с селеном - селениды; соединения с теллуром - теллуриды; некоторые сплавы (MgSb 2 , ZnSb, Mg 2 Sb, CdSb, AlSb, ClSb); химические элементы - германий, кремний, теллур, селен, бор, углерод, сера, фосфор, мышьяк, а также большое число сложных соединений (гален, карборунд и другие).
Рисунок 1. Германий
Рисунок 2. Кремний
Рисунок 3. Теллур
Полное и широкое исследование свойств полупроводников выполнено советским ученым А. Ф. Иоффе и его сотрудниками.
Электрические свойства полупроводников резко отличаются от свойств проводников и изоляторов. Электропроводимость проводников в сильной степени зависит от температуры, освещённости, наличия и интенсивности электрического поля, количества примесей. При обычной температуре в полупроводниках есть некоторое количество свободных электронов, образовавшихся вследствие разрыва электронных связей. У полупроводников различают два вида проводимости: электронную и дырочную. Носителями заряда в полупроводниках при электронной проводимости являются свободные электроны, а при дырочной - связи, лишенные электронов.
Рассмотрим следующий опыт. Возьмем металлический проводник и будем нагревать один его конец, тогда нагретый конец проводника получит положительный заряд. Это объясняется перемещением электронов от горячего конца к холодному, в результате чего на горячем конце проводника получается недостаток электронов (положительный заряд), а на холодном конце избыток электронов (отрицательный заряд). Кратковременное протекание тока по проводнику было вызвано перемещением электронов с одного края проводника на другой. Таким образом, здесь речь идет о проводнике с электронной проводимостью. Однако существуют вещества, которые при подобном опыте ведут себя иначе: нагретый край такого вещества получает отрицательный заряд, а холодный край - положительный заряд. Это возможно, если предположить, что перенос тока осуществляется положительными зарядами.
Рисунок 4. Связь между атомами вещества
 |
| Рисунок 5. Собственная проводимость полупроводников |
  |
| Рисунок 6. Электронная проводимость полупроводника |
  |
| Рисунок 7. Дырочная проводимость полупроводника |
Познакомимся с другим видом проводимости у полупроводников - дырочной проводимостью. В чистых полупроводниках все электроны, слабо связанные с ядрами, участвуют в электронных связях. На рисунке 4, а условно показана заполненная связь между атомами вещества. "Дыркой" называется элемент кристаллической решетки вещества, потерявший электрон, что соответствует появлению положительного заряда (рисунок 4, б ).
Освободившаяся связь может вновь оказаться заполненной, если "дырка" захватит электрон из соседней связи (рисунок 4, в ). Это вызовет переход "дырки" на новое место. В веществе полупроводника, находящегося в нормальных условиях, направление вылета электронов и место образования "дырки" носят хаотический характер. Если к чистому полупроводнику приложить постоянное напряжение, то электроны и "дырки" будут перемещаться (первые против направления сил поля, вторые в противоположном направлении). Если число образующихся "дырок" будет равно числу освободившихся электронов, то, как это бывает у чистых полупроводников, проводимость полупроводников невелика (собственная проводимость). Наличие даже небольшого количества посторонних примесей может изменить механизм электропроводимости: сделать его электронным или дырочным. Рассмотрим конкретный пример. В качестве полупроводника возьмем германий (Ge). В кристалле германия каждый атом связан с четырьмя другими атомами. При увеличении температуры или в результате облучения парные связи кристалла могут быть нарушены. При этом образуется равное количество электронов и "дырок" (рисунок 5).
Добавим к германию в качестве примеси мышьяк. Такая примесь обладает большим числом слабосвязанных электронов. Атомы примеси имеют свой энергетический уровень, располагающийся между энергетическими уровнями свободной и заполненной зон, ближе к последней (рисунок 6). Подобные примеси отдают свои электроны в свободную зону и называются донорными примесями. В полупроводнике окажется наличие свободных электронов, в то время как все связи будут заполнены. Полупроводник будет обладать электронной проводимостью в свободной зоне.
Если теперь в качестве примеси к германию добавит не мышьяк, а индий, то произойдет следующее. Такая примесь обладает малым числом слабо связанных электронов, а энергетический уровень примеси располагается между энергетическими уровнями свободной и заполненной зон, ближе к свободной зоне (рисунок 7). Примеси этого рода принимают в свою зону электроны из соседней заполненной зоны и называются акцепторными примесями. В полупроводнике окажутся незаполненные связи - "дырки" при отсутствии свободных электронов. Полупроводник будет обладать дырочной проводимостью в заполненной зоне.
Теперь станет понятным опыт нагрева полупроводника, когда нагретый конец получал отрицательный заряд, а холодный конец - положительный заряд. Под действием тепла на горячем конце начнут разрушаться связи, возникнут "дырки" и свободные электроны. Если полупроводник содержит примеси, то "дырки" начнут переходить к холодному концу, заряжая его положительно, а нагретый конец полупроводника зарядится отрицательно.
Заканчивая рассмотрение полупроводников, делаем следующий вывод.
Добавлением к полупроводнику примесей можно придать ему преобладающую электронную или дырочную проводимость. Исходя из этого, получают следующие типы полупроводников. Полупроводники с электронной проводимостью называют полупроводниками n -типа (негативные), а с дырочной проводимостью - p -типа (позитивные).
Предлагаем вам также посмотреть учебные видео-фильмы о полупроводниках:
List=PL_QCOTUIndSFAbWcR3t0wYp5IORVEHu3I
Темы кодификатора ЕГЭ : полупроводники, собственная и примесная проводимость полупроводников.
До сих пор, говоря о способности веществ проводить электрический ток, мы делили их на проводники и диэлектрики. Удельное сопротивление обычных проводников находится в интервале Ом·м; удельное сопротивление диэлектриков превышает эти величины в среднем на порядков: Ом·м.
Но существуют также вещества, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Это полупроводники : их удельное сопротивление при комнатной температуре может принимать значения в очень широком диапазоне Ом·м. К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, некоторые другие химические элементы и соединения (Полупроводники чрезвычайно распространены в природе. Например, около 80% массы земной коры приходится на вещества, являющиеся полупроводниками). Наиболее широко примененяются кремний и германий .
Главная особенность полупроводников заключается в том, что их электропроводность резко увеличивается с повышением температуры. Удельное сопротивление полупроводника убывает с ростом температуры примерно так, как показано на рис. 1 .
Рис. 1. Зависимость для полупроводника
Иными словами, при низкой температуре полупроводники ведут себя как диэлектрики, а при высокой - как достаточно хорошие проводники. В этом состоит отличие полупроводников от металлов: удельное сопротивление металла, как вы помните, линейно возрастает с увеличением температуры.
Между полупроводниками и металлами имеются и другие отличия. Так, освещение полупроводника вызывает уменьшение его сопротивления (а на сопротивление металла свет почти не оказывает влияния). Кроме того, электропроводность полупроводников может очень сильно меняться при введении даже ничтожного количества примесей.
Опыт показывает, что, как и в случае металлов, при протекании тока через полупроводник не происходит переноса вещества. Стало быть, электрический ток в полупроводниках обусловлен движением электронов.
Уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании говорит о том, что повышение температуры приводит к увеличению количества свободных зарядов в полупроводнике. В металлах ничего такого не происходит; следовательно, полупроводники обладают иным механизмом электропроводности, чем металлы. И причина этого - различная природа химической связи между атомами металлов и полупроводников.
Ковалентная связь
Металлическая связь, как вы помните, обеспечивается газом свободных электронов, который, подобно клею, удерживает положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Полупроводники устроены иначе - их атомы скрепляет ковалентная связь . Давайте вспомним, что это такое.
Электроны, находящиеся на внешнем электронном уровне и называемые валентными , слабее связаны с атомом, чем остальные электроны, которые расположены ближе к ядру. В процессе образования ковалентной связи два атома вносят «в общее дело» по одному своему валентному электрону. Эти два электрона обобществляются, то есть теперь принадлежат уже обоим атомам, и потому называются общей электронной парой (рис. 2 ).
Рис. 2. Ковалентная связь
Обобществлённая пара электронов как раз и удерживает атомы друг около друга (с помощью сил электрического притяжения). Ковалентная связь - это связь, существующая между атомами за счёт общих электронных пар . По этой причине ковалентная связь называется также парноэлектронной .
Кристаллическая структура кремния
Теперь мы готовы подробнее изучить внутреннее устройство полупроводников. В качестве примера рассмотрим самый распространённый в природе полупроводник - кремний. Аналогичное строение имеет и второй по важности полупроводник - германий.
Пространственная структура кремния представлена на рис. 3 (автор картинки - Ben Mills). Шариками изображены атомы кремния, а трубки, их соединяющие, - это каналы ковалентной связи между атомами.
Рис. 3. Кристаллическая структура кремния
Обратите внимание, что каждый атом кремния скреплён с четырьмя соседними атомами. Почему так получается?
Дело в том, что кремний четырёхвалентен - на внешней электронной оболочке атома кремния расположены четыре валентных электрона. Каждый из этих четырёх электронов готов образовать общую электронную пару с валентным электроном другого атома. Так и происходит! В результате атом кремния окружается четырьмя пристыковавшимися к нему атомами, каждый из которых вносит по одному валентному электрону. Соответственно, вокруг каждого атома оказывается по восемь электронов (четыре своих и четыре чужих).
Более подробно мы видим это на плоской схеме кристаллической решётки кремния (рис. 4 ).
Рис. 4. Кристаллическая решётка кремния
Ковалентные связи изображены парами линий, соединяющих атомы; на этих линиях находятся общие электронные пары. Каждый валентный электрон, расположенный на такой линии, большую часть времени проводит в пространстве между двумя соседними атомами.
Однако валентные электроны отнюдь не «привязаны намертво» к соответствующим парам атомов. Происходит перекрытие электронных оболочек всех соседних атомов, так что любой валентный электрон есть общее достояние всех атомов-соседей. От некоторого атома 1 такой электрон может перейти к соседнему с ним атому 2, затем - к соседнему с ним атому 3 и так далее. Валентные электроны могут перемещаться по всему пространству кристалла - они, как говорят, принадлежат всему кристаллу (а не какой-либо одной атомной паре).
Тем не менее, валентные электроны кремния не являются свободными (как это имеет место в металле). В полупроводнике связь валентных электронов с атомами гораздо прочнее, чем в металле; ковалентные связи кремния не разрываются при невысоких температурах. Энергии электронов оказывается недостаточно для того, чтобы под действием внешнего электрического поля начать упорядоченное движение от меньшего потенциала к большему. Поэтому при достаточно низких температурах полупроводники близки к диэлектрикам - они не проводят электрический ток.
Собственная проводимость
Если включить в электрическую цепь полупроводниковый элемент и начать его нагревать, то сила тока в цепи возрастает. Следовательно, сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры. Почему это происходит?
При повышении температуры тепловые колебания атомов кремния становятся интенсивнее, и энергия валентных электронов возрастает. У некоторых электронов энергия достигает значений, достаточных для разрыва ковалентных связей. Такие электроны покидают свои атомы и становятся свободными (или электронами проводимости ) - точно так же, как в металле. Во внешнем электрическом поле свободные электроны начинают упорядоченное движение, образуя электрический ток.
Чем выше температура кремния, тем больше энергия электронов, и тем большее количество ковалентных связей не выдерживает и рвётся. Число свободных электронов в кристалле кремния возрастает, что и приводит к уменьшению его сопротивления.
Разрыв ковалентных связей и появление свободных электронов показан на рис. 5 . На месте разорванной ковалентной связи образуется дырка - вакантное место для электрона. Дырка имеет положительный заряд, поскольку с уходом отрицательно заряженного электрона остаётся нескомпенсированный положительный заряд ядра атома кремния.
Рис. 5. Образование свободных электронов и дырок
Дырки не остаются на месте - они могут блуждать по кристаллу. Дело в том, что один из соседних валентных электронов, «путешествуя» между атомами, может перескочить на образовавшееся вакантное место, заполнив дырку; тогда дырка в этом месте исчезнет, но появится в том месте, откуда электрон пришёл.
При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок носит случайный характер, ибо валентные электроны блуждают между атомами хаотически. Однако в электрическом поле начинается направленное движение дырок. Почему? Понять это несложно.
На рис. 6 изображён полупроводник, помещённый в электрическое поле . В левой части рисунка - начальное положение дырки.
Рис. 6. Движение дырки в электрическом поле
Куда сместится дырка? Ясно, что наиболее вероятны перескоки «электрон > дырка» в направлении против линий поля (то есть к «плюсам», создающим поле). Один из таких перескоков показан в средней части рисунка: электрон прыгнул влево, заполнив вакансию, а дырка, соответственно, сместилась вправо. Следующий возможный скачок электрона, вызванный электрическим полем, изображён в правой части рисунка; в результате этого скачка дырка заняла новое место, расположенное ещё правее.
Мы видим, что дырка в целом перемещается по направлению линий поля - то есть туда, куда и полагается двигаться положительным зарядам. Подчеркнём ещё раз, что направленное движение дырки вдоль поля вызвано перескоками валентных электронов от атома к атому, происходящими преимущественно в направлении против поля.
Таким образом, в кристалле кремния имеется два типа носителей заряда: свободные электроны и дырки. При наложении внешнего электрического поля появляется электрический ток, вызванный их упорядоченным встречным движением: свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряжённости поля , а дырки - в направлении вектора .
Возникновение тока за счёт движения свободных электронов называется электронной проводимостью , или проводимостью n-типа . Процесс упорядоченного перемещения дырок называется дырочной проводимостью ,или проводимостью p-типа (от первых букв латинских слов negativus (отрицательный) и positivus (положительный)). Обе проводимости - электронная и дырочная - вместе называются собственной проводимостью полупроводника.
Каждый уход электрона с разорванной ковалентной связи порождает пару «свободный электрон–дырка». Поэтому концентрация свободных электронов в кристалле чистого кремния равна концентрации дырок. Соответственно, при нагревании кристалла увеличивается концентрация не только свободных электронов, но и дырок, что приводит к возрастанию собственной проводимости полупроводника за счёт увеличения как электронной, так и дырочной проводимости.
Наряду с образованием пар «свободный электрон–дырка» идёт и обратный процесс: рекомбинация свободных электронов и дырок. А именно, свободный электрон, встречаясь с дыркой, заполняет эту вакансию, восстанавливая разорванную ковалентную связь и превращаясь в валентный электрон. Таким образом, в полупроводнике устанавливается динамическое равновесие : среднее число разрывов ковалентных связей и образующихся электронно-дырочных пар в единицу времени равно среднему числу рекомбинирующих электронов и дырок. Это состояние динамического равновесия определяет равновесную концентрацию свободных электронов и дырок в полупроводнике при данных условиях.
Изменение внешних условий смещает состояние динамического равновесия в ту или иную сторону. Равновесное значение концентрации носителей заряда при этом, естественно, изменяется. Например, число свободных электронов и дырок возрастает при нагревании полупроводника или при его освещении.
При комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок в кремнии приблизительно равно см. Концентрация же атомов кремния - порядка см. Иными словами, на атомов кремния приходится лишь один свободный электрон! Это очень мало. В металлах, например, концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов. Соответственно, собственная проводимость кремния и других полупроводников при нормальных условиях мала по сравнению с проводимостью металлов .
Примесная проводимость
Важнейшей особенностью полупроводников является то, что их удельное сопротивление может быть уменьшено на несколько порядков в результате введения даже весьма незначительного количества примесей. Помимо собственной проводимости у полупроводника возникает доминирующая примесная проводимость
. Именно благодаря этому факту полупроводниковые приборы нашли столь широкое применение в науке и технике.
Предположим, например, что в расплав кремния добавлено немного пятивалентного мышьяка . После кристаллизации расплава оказывается, что атомы мышьяка занимают места в некоторых узлах сформировавшейся кристаллической решётки кремния.
На внешнем электронном уровне атома мышьяка имеется пять электронов. Четыре из них образуют ковалентные связи с ближайшими соседями - атомами кремния (рис. 7 ). Какова судьба пятого электрона, не занятого в этих связях?
Рис. 7. Полупроводник n-типа
А пятый электрон становится свободным! Дело в том, что энергия связи этого «лишнего» электрона с атомом мышьяка, расположенным в кристалле кремния, гораздо меньше энергии связи валентных электронов с атомами кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка в результате теплового движения остаются без пятого электрона, превращаясь в положительные ионы. А кристалл кремния, соответственно, наполняется свободными электронами, которые отцепились от атомов мышьяка.
Наполнение кристалла свободными электронами для нас не новость: мы видели это и выше, когда нагревался чистый кремний (без каких-либо примесей). Но сейчас ситуация принципиально иная: появление свободного электрона, ушедшего из атома мышьяка, не сопровождается появлением подвижной дырки . Почему? Причина та же - связь валентных электронов с атомами кремния гораздо прочнее, чем с атомом мышьяка на пятой вакансии, поэтому электроны соседних атомов кремния и не стремятся эту вакансию заполнить. Вакансия, таким образом, остаётся на месте, она как бы «приморожена» к атому мышьяка и не участвует в создании тока.
Таким образом, внедрение атомов пятивалентного мышьяка в кристаллическую решётку кремния создаёт электронную проводимость, но не приводит к симметричному появлению дырочной проводимости . Главная роль в создании тока теперь принадлежит свободным электронам, которые в данном случае называются основными носителями заряда.
Механизм собственной проводимости, разумеется, продолжает работать и при наличии примеси: ковалентные связи по-прежнему рвутся за счёт теплового движения, порождая свободные электроны и дырки. Но теперь дырок оказывается гораздо меньше, чем свободных электронов, которые в большом количестве предоставлены атомами мышьяка. Поэтому дырки в данном случае будут неосновными носителями заряда.
Примеси, атомы которых отдают свободные электроны без появления равного количества подвижных дырок, называются донорными . Например, пятивалентный мышьяк - донорная примесь. При наличии в полупроводнике донорной примеси основными носителями заряда являются свободные электроны, а неосновными - дырки; иными словами, концентрация свободных электронов намного превышает концентрацию дырок. Поэтому полупроводники с донорными примесями называются электронными полупроводниками , или полупроводниками n-типа (или просто n-полупроводниками ).
А насколько, интересно, концентрация свободных электронов может превышать концентрацию дырок в n-полупроводнике? Давайте проведём простой расчёт.
Предположим, что примесь составляет , то есть на тысячу атомов кремния приходится один атом мышьяка. Концентрация атомов кремния, как мы помним, порядка см.
Концентрация атомов мышьяка, соответственно, будет в тысячу раз меньше: см. Такой же окажется и концентрация свободных электронов, отданных примесью - ведь каждый атом мышьяка отдаёт по электрону. А теперь вспомним, что концентрация электронно-дырочных пар, появляющихся при разрывах ковалентных связей кремния, при комнатной температуре примерно равна см. Чувствуете разницу? Концентрация свободных электронов в данном случае больше концентрации дырок на порядков, то есть в миллиард раз! Соответственно, в миллиард раз уменьшается удельное сопротивление кремниевого полупроводника при введении столь небольшого количества примеси.
Приведённый расчёт показывает, что в полупроводниках n-типа основную роль действительно играет электронная проводимость. На фоне столь колоссального превосходства численности свободных электронов вклад движения дырок в общую проводимость пренебрежимо мал.
Можно, наоборот, создать полупроводник с преобладанием дырочной проводимости. Так получится, если в кристалл кремния внедрить трёхвалентную примесь - например, индий . Результат такого внедрения показан на рис. 8 .
Рис. 8. Полупроводник p-типа
Что происходит в этом случае? На внешнем электронном уровне атома индия расположены три электрона, которые формируют ковалентные связи с тремя окружающими атомами кремния. Для четвёртого соседнего атома кремния у атома индия уже не хватает электрона, и в этом месте возникает дырка.
И дырка эта не простая, а особенная - с весьма большой энергией связи. Когда в неё попадёт электрон из соседнего атома кремния, он в ней «застрянет навеки», ибо притяжение электрона к атому индия весьма велико - больше, чем к атомам кремния. Атом индия превратится в отрицательный ион, а в том месте, откуда электрон пришёл, возникнет дырка - но теперь уже обыкновенная подвижная дырка в виде разорванной ковалентной связи в кристаллической решётке кремния. Эта дырка обычным образом начнёт блуждать по кристаллу за счёт «эстафетной» передачи валентных электронов от одного атома кремния к другому.
И так, каждый примесный атом индия порождает дырку, но не приводит к симметричному появлению свободного электрона. Такие примеси, атомы которых захватывают «намертво» электроны и тем самым создают в кристалле подвижную дырку, называются акцепторными .
Трёхвалентный индий - пример акцепторной примеси.
Если в кристалл чистого кремния ввести акцепторную примесь, то число дырок, порождённых примесью, будет намного больше числа свободных электронов, возникших за счёт разрыва ковалентных связей между атомами кремния. Полупроводник с акцепторной примесью - это дырочный полупроводник , или полупроводник p-типа (или просто p-полупроводник ).
Дырки играют главную роль при создании тока в p-полупроводнике; дырки - основные носители заряда . Свободные электроны - неосновные носители заряда в p-полупроводнике. Движение свободных электронов в данном случае не вносит существенного вклада: электрический ток обеспечивается в первую очередь дырочной проводимостью.
p–n-переход
Место контакта двух полупроводников с различными типами проводимости (электронной и дырочной) называется электронно-дырочным переходом , или p–n-переходом . В области p–n-перехода возникает интересное и очень важное явление - односторонняя проводимость.
На рис. 9 изображён контакт областей p- и n-типа; цветные кружочки - это дырки и свободные электроны, которые являются основными (или неосновными) носителями заряда в соответствующих областях.
Рис. 9. Запирающий слой p–n-перехода
Совершая тепловое движение, носители заряда проникают через границу раздела областей.
Свободные электроны переходят из n-области в p-область и рекомбинируют там с дырками; дырки же диффундируют из p-области в n-область и рекомбинируют там с электронами.
В результате этих процессов в электронном полупроводнике около границы контакта остаётся нескомпенсированный заряд положительных ионов донорной примеси, а в дырочном полупроводнике (также вблизи границы) возникает нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Эти нескомпенсированные объёмные заряды образуют так называемый запирающий слой , внутреннее электрическое поле которого препятствует дальнейшей диффузии свободных электронов и дырок через границу контакта.
Подключим теперь к нашему полупроводниковому элементу источник тока, подав «плюс» источника на n-полупроводник, а «минус» - на p-полупроводник (рис. 10 ).
Рис. 10. Включение в обратном направлении: тока нет
Мы видим, что внешнее электрическое поле уводит основные носители заряда дальше от границы контакта. Ширина запирающего слоя увеличивается, его электрическое поле возрастает. Сопротивление запирающего слоя велико, и основные носители не в состоянии преодолеть p–n-переход. Электрическое поле позволяет переходить границу лишь неосновным носителям, однако ввиду очень малой концентрации неосновных носителей создаваемый ими ток пренебрежимо мал.
Рассмотренная схема называется включением p–n-перехода в обратном направлении . Электрического тока основных носителей нет; имеется лишь ничтожно малый ток неосновных носителей. В данном случае p–n-переход оказывается закрытым.
Теперь поменяем полярность подключения и подадим «плюс» на p-полупроводник, а «минус»-на n-полупроводник (рис. 11 ). Эта схема называется включением в прямом направлении .
Рис. 11. Включение в прямом направлении: ток идёт
В этом случае внешнее электрическое поле направлено против запирающего поля и открывает путь основным носителям через p–n-переход. Запирающий слой становится тоньше, его сопротивление уменьшается.
Происходит массовое перемещение свободных электронов из n-области в p-область, а дырки, в свою очередь, дружно устремляются из p-области в n-область.
В цепи возникает ток , вызванный движением основных носителей заряда (Теперь, правда, электрическое поле препятствует току неосновных носителей, но этот ничтожный фактор не оказывает заметного влияния на общую проводимость).
Односторонняя проводимость p–n-перехода используется в полупроводниковых диодах . Диодом называется устройство, проводящие ток в лишь одном направлении; в противоположном направлении ток через диод не проходит (диод, как говорят, закрыт). Схематическое изображение диода показано на рис. 12 .
Рис. 12. Диод
В данном случае диод открыт в направлении слева направо: заряды как бы текут вдоль стрелки (видите её на рисунке?). В направлении справа налево заряды словно упираются в стенку - диод закрыт.
Полупроводники характеризуются как свойствами проводников , так и диэлектриков . В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76·10 −19 Дж против 11,2·10 −19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,4·10 −19 Дж), и отдельные атомы получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5-2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.
Дырка
Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой 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 .
Собственная плотность
При термодинамическом равновесии, плотность электронов полупроводника связана с температурой следующим соотношением:
- Постоянная Планка - масса электрона - температура ; - уровень проводимой зоны - уровень Ферми ;Также, плотность дырок полупроводника связана с температурой следующим соотношением:
- Постоянная Планка ; - масса дырки; - температура ; - уровень Ферми ; - уровень валентной зоны.Собственная плотность связана с и следующим соотношением:
Виды полупроводников
По характеру проводимости
Собственная проводимость
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».
Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:
где - удельное сопротивление, - подвижность электронов , - подвижность дырок, - их концентрация, q - элементарный электрический заряд (1,602·10 −19 Кл).
Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула принимает вид:
Примесная проводимость
Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.
По виду проводимости
Электронные полупроводники (n-типа)
Полупроводник n-типа
Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.
Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:
Дырочные полупроводники (р-типа)
Полупроводник p-типа
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.
Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:
Использование в радиотехнике
Полупроводниковый диод
Полупроводниковый диод состоит из двух типов полупроводников - дырочного и электронного. В процессе контакта между этими областями из области с полупроводником n-типа в область с полупроводником p-типа проходят электроны, которые затем рекомбинируют с дырками. Вследствие этого возникает электрическое поле между двумя областями, что устанавливает предел деления полупроводников - так называемый p-n переход . В результате в области с полупроводником p-типа возникает некомпенсированный заряд из отрицательных ионов, а в области с полупроводником n-типа возникает некомпенсированный заряд из положительных ионов. Разница между потенциалами достигает 0,3-0,6 В.
Связь между разницей потенциалов и концентрацией примесей выражается следующей формулой:
где - термодинамическое напряжение, - концентрация электронов, - концентрация дырок, - собственная концентрация .
В процессе подачи напряжения плюсом на p-полупроводник и минусом на n-полупроводник внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего электрического поля p-n перехода и при достаточном напряжении электроны преодолеют p-n переход, и в цепи диода появится электрический ток (прямая проводимость). При подаче напряжения минусом на область с полупроводником p-типа и плюсом на область с полупроводником n-типа между двумя областями возникает область, которая не имеет свободных носителей электрического тока (обратная проводимость). Обратный ток полупроводникового диода не равен нулю, так как в обоих областях всегда есть неосновные носители заряда. Для этих носителей p-n переход будет открыт.
Таким образом, p-n переход проявляет свойства односторонней проводимости, что обуславливается подачей напряжения с различной полярностью. Это свойство используют для выпрямления переменного тока .
Транзистор
Транзистор - полупроводниковое устройство, которое состоит из двух областей с полупроводниками p- или n-типа, между которыми находится область с полупроводником n- или p-типа. Таким образом, в транзисторе есть две области p-n перехода. Область кристалла между двумя переходами называют базой, а внешние области называют эмиттером и коллектором. Самой употребляемой схемой включения транзистора является схема включения с общим эмиттером, при которой через базу и эмиттер ток распространяется на коллектор.
Биполярный транзистор используют для усиления электрического тока.
Типы полупроводников в периодической системе элементов
В нижеследующей таблице представлена информация о большом количестве полупроводниковых элементов и их соединений, разделённых на несколько типов:
- одноэлементные полупроводники IV группы периодической системы элементов ,
- сложные: двухэлементные A III B V и A II B VI из третьей и пятой группы и из второй и шестой группы элементов соответственно.
Все типы полупроводников обладают интересной зависимостью ширины запрещённой зоны от периода, а именно - с увеличением периода ширина запрещённой зоны уменьшается.
| Группа | IIB | IIIA | IVA | VA | VIA |
| Период | |||||
| 2 | 5 | 6 | 7 | ||
| 3 | 13 | 14 | 15 | 16 | |
| 4 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 |
| 5 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 |
| 6 | 80 |
Физические свойства и применение
Прежде всего, следует сказать, что физические свойства полупроводников наиболее изучены по сравнению с металлами и диэлектриками . В немалой степени этому способствует огромное количество эффектов, которые не могут быть наблюдаемы ни в тех ни в других веществах, прежде всего связанные с устройством зонной структуры полупроводников, и наличием достаточно узкой запрещённой зоны. Конечно же, основным стимулом для изучения полупроводников является производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем - это в первую очередь относится к кремнию , но затрагивает и другие соединения ( , GaAs , InP , InSb).
В связи с тем, что технологи могут получать очень чистые вещества, встаёт вопрос о новом эталоне для числа Авогадро .
Легирование
Объёмные свойства полупроводника могут сильно зависеть от наличия дефектов в кристаллической структуре . И поэтому стремятся выращивать очень чистые вещества, в основном для электронной промышленности. Легирующие примеси вводят для управления величиной и типом проводимости полупроводника. Например, широко распространённый кремний можно легировать элементом V подгруппы периодической системы элементов - фосфором , который является донором , и создать n-Si. Для получения кремния с дырочным типом проводимости (p-Si) используют бор (акцептор). Также создают компенсированные полупроводники с тем чтобы зафиксировать уровень Ферми в середине запрещённой зоны.
Методы получения
Для получения монокристаллов полупроводников используют различные методы физического и химического осаждения. Наиболее прецизионный и дорогой инструмент в руках технологов для роста монокристаллических плёнок - установки молекулярно-лучевой эпитаксии , позволяющей выращивать кристалл с точностью до монослоя.
Оптика полупроводников
Поглощение света полупроводниками обусловлено переходами между энергетическими состояниями зонной структуры. Учитывая принцип запрета Паули , электроны могут переходить только из заполненного энергетического уровня на незаполненный. В собственном полупроводнике все состояния валентной зоны заполнены, а все состояния зоны проводимости незаполненные, поэтому переходы возможны лишь из валентной зоны в зону проводимости . Для осуществления такого перехода электрон должен получить от света энергию, превышающую ширину запрещённой зоны. Фотоны с меньшей энергией не вызывают переходов между электронными состояниями полупроводника, поэтому такие полупроводники прозрачны в области частот , где - ширина запрещённой зоны, - постоянная Планка . Эта частота определяет фундаментальный край поглощения для полупроводника. Для полупроводников, которые зачастую применяются в электронике (кремний , германий , арсенид галлия) она лежит в инфракрасной области спектра.
Дополнительные ограничения на поглощение света полупроводников накладывают правила отбора , в частности закон сохранения импульса . Закон сохранения импульса требует, чтобы квазиимпульс конечного состояния отличался от квазиимпульса начального состояния на величину импульса поглощённого фотона. Волновое число фотона , где - длина волны, очень мало по сравнению с волновым вектором обратной решётки полупроводника, или, что то же самое, длина волны фотона в видимой области намного больше характерного межатомного расстояния в полупроводнике, что приводит к требованию того, чтобы квазиимпульс конечного состояния при электронном переходе практически равнялся квазиимпульсу начального состояния. При частотах, близких к фундаментальному краю поглощения, это возможно только для прямозонных полупроводников . Оптические переходы в полупроводниках, при которых импульс электрона почти не меняется называются прямыми или вертикальными . Импульс конечного состояния может значительно отличаться от импульса начального состояния, если в процессе поглощения фотона участвует ещё одна, третья частица, например, фонон . Такие переходы тоже возможны, хотя и менее вероятны. Они называются непрямыми переходами .
Таким образом, прямозонные полупроводники, такие как арсенид галлия , начинают сильно поглощать свет, когда энергия кванта превышает ширину запрещённой зоны. Такие полупроводники очень удобны для использования в оптоэлектронике .
Непрямозонные полупроводники, например, кремний , поглощают в области частот света с энергией кванта чуть больше ширины запрещённой зоны значительно слабее, только благодаря непрямым переходам, интенсивность которых зависит от присутствия фононов, и следовательно, от температуры . Граничная частота прямых переходов кремния больше 3 эВ, то есть лежит в ультрафиолетовой области спектра.
При переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости в полупроводнике возникают свободные носители заряда , а следовательно фотопроводимость .
При частотах ниже края фундаментального поглощения также возможно поглощение света, которое связано с возбуждением экситонов , электронными переходами между уровнями примесей и разрешенными зонами, а также с поглощением света на колебаниях решётки и свободных носителях. Экситонные зоны расположены в полупроводнике несколько ниже дна зоны проводимости благодаря энергии связи экситона. Экситонные спектры поглощения имеют водородоподобную структуру энергетических уровней. Аналогичным образом примеси, акцепторы или доноры , создают акцепторные или донорные уровни, лежащие в запрещённой зоне. Они значительно модифицируют спектр поглощения легированного полупроводника. Если при непрямозонном переходе одновременно с квантом света поглощается фонон, то энергия поглощенного светового кванта может быть меньше на величину энергии фонона, что приводит к поглощению на частотах несколько ниже по энергии от фундаментального края поглощения.
Список полупроводников
Полупроводниковые соединения делят на несколько типов:
- простые полупроводниковые материалы - собственно химические элементы: бор B, углерод C, германий Ge, кремний Si, селен Se, сера S, сурьма Sb, теллур Te и йод I. Самостоятельное применение широко нашли германий, кремний и селен. Остальные чаще всего применяются в качестве легирующих добавок или в качестве компонентов сложных полупроводниковых материалов;
- в группу сложных полупроводниковых материалов входят химические соединения, обладающие полупроводниковыми свойствами и включающие в себя два, три и более химических элементов. Полупроводниковые материалы этой группы, состоящие из двух элементов, называют бинарными , и так же, как это принято в химии, имеют наименование того компонента, металлические свойства которого выражены слабее. Так, бинарные соединения, содержащие мышьяк, называют арсенидами , серу - сульфидами , теллур - теллуридами , углерод - карбидами . Сложные полупроводниковые материалы объединяют по номеру группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева , к которой принадлежат компоненты соединения, и обозначают буквами латинского алфавита (A - первый элемент, B - второй и т. д.). Например, бинарное соединение фосфид индия InP имеет обозначение A III B V
Широкое применние получили следующие соединения:
A III B V
- InSb, InAs, InP, GaSb, GaP, AlSb, GaN, InN
- CdSb, ZnSb
- ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, HgSe, HgTe, HgS
- PbS, PbSe, PbTe, SnTe, SnS, SnSe, GeS, GeSe
а также некоторые окислы свинца, олова, германия, кремния а также феррит, аморфные стёкла и многие другие соединения (A I B III C 2 VI , A I B V C 2 VI , A II B IV C 2 V , A II B 2 II C 4 VI , A II B IV C 3 VI).
На основе большинства из приведённых бинарных соединений возможно получение их твёрдых растворов: (CdTe) x (HgTe) 1-x , (HgTe) x (HgSe) 1-x , (PbTe) x (SnTe) 1-x , (PbSe) x (SnSe) 1-x и других.
Соединения A III B V , в основном, применяются для изделий электронной техники, работающих на сверхвысоких частотах
Соединения A II B V используют в качестве люминофоров видимой области, светодиодов , датчиков Холла , модуляторов.
Соединения A III B V , A II B VI и A IV B VI применяют при изготовлении источников и приёмников света, индикаторов и модуляторов излучений.
Окисные полупроводниковые соединения применяют для изготовления фотоэлементов , выпрямителей и сердечников высокочастотных индуктивностей.
| Параметры | AlSb | GaSb | InSb | AlAs | GaAs | InAs |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Температура плавления, К | 1333 | 998 | 798 | 1873 | 1553 | 1218 |
| Постоянная решётки, | 6,14 | 6,09 | 6,47 | 5,66 | 5,69 | 6,06 |
| Ширина запрещённой зоны ΔE , эВ | 0,52 | 0,7 | 0,18 | 2,2 | 1,32 | 0,35 |
| Диэлектрическая проницаемость ε | 8,4 | 14,0 | 15,9 | - | - | - |
| Подвижность, см²/(В·с): | ||||||
| электронов | 50 | 5000 | 60 000 | - | 4000 | 3400 |
| дырок | 150 | 1000 | 4000 | - | 400 | 460 |
| Показатель преломления света, n | 3,0 | 3,7 | 4,1 | - | 3,2 | 3,2 |
| Линейный коэффициент теплового расширения, K -1 |
- | 6,9·10 -6 | 5,5·10 -6 | 5,7·10 -6 | 5,3·10 -6 | - |
Одно из главных свойств p‑n‑перехода состоит в его способности пропускать электрический ток в одном (прямом) направлении в тысячи и миллионы раз лучше, чем в обратном.
Полупроводники - класс веществ, занимающих промежуточное положение между веществами, хорошо проводящими электрический ток (проводники, в основном металлы), и веществами, практически не проводящими электрического тока (изоляторы или диэлектрики).
Для полупроводников характерна сильная зависимость их свойств и характеристик от микроскопических количеств содержащихся в них примесей. Изменяя количество примеси в полупроводнике от десятимиллионных долей процента до 0,1–1%, можно изменить их проводимость в миллионы раз. Другое важнейшее свойство полупроводников состоит в том, что электрический ток переносится в них не только отрицательными зарядами - электронами, но и равными им по величине положительными зарядами - дырками.
Если рассматривать идеализированный полупроводниковый кристалл, абсолютно свободный от каких‑нибудь примесей, то его способность проводить электрический ток будет определяться так называемой собственной электропроводностью.
Атомы в кристалле полупроводника связаны между собой с помощью электронов внешней электронной оболочки. При тепловых колебаниях атомов тепловая энергия распределяется между электронами, образующими связи, неравномерно. Отдельные электроны могут получать количество тепловой энергии, достаточное для того, чтобы «оторваться» от своего атома и получить возможность свободно перемещаться в кристалле, т. е. стать потенциальными носителями тока (по‑другому можно сказать, что они переходят в зону проводимости). Такой уход электрона нарушает электрическую нейтральность атома, у него возникает положительный заряд, равный по величине заряду ушедшего электрона. Это вакантное место называют дыркой.
Так как вакантное место может быть занято электроном соседней связи, дырка также может перемещаться внутри кристалла и являться уже положительным носителем тока. Естественно, что электроны и дырки при этих условиях возникают в равных количествах, и электропроводность такого идеального кристалла будет в равной степени определяться как положительными, так и отрицательными зарядами.
Если на место атома основного полупроводника поместить атом примеси, во внешней электронной оболочке которого содержится на один электрон больше, чем у атома основного полупроводника, то такой электрон окажется как бы лишним, ненужным для образования межатомных связей в кристалле и слабо связанным со своим атомом. Достаточно в десятки раз меньше энергии, чтобы оторвать его от своего атома и превратить в свободный электрон. Такие примеси называют донорными, т. е. отдающими «лишний» электрон. Атом примеси заряжается, разумеется, положительно, но дырки при этом не появляется, так как дыркой может быть только вакансия электрона в незаполненной межатомной связи, а в данном случае все связи заполнены. Этот положительный заряд остается связанным со своим атомом, неподвижным и, следовательно, в процессе электропроводности участия принимать не может.
Введение в полупроводник примесей, внешняя электронная оболочка которых содержит меньшее количество электронов, чем в атомах основного вещества, приводит к появлению незаполненных связей, т. е. дырок. Как было сказано выше, эта вакансия может быть занята электроном из соседней связи, и дырка получает возможность свободного перемещения по кристаллу. Иными словами, движение дырки - это последовательный переход электронов из одной соседней связи в другую. Такие примеси, «принимающие» электрон, называют акцепторными.
Если приложить к структуре металл - диэлектрик полупроводник n‑типа напряжение (указанной на рисунке полярности), то в приповерхностном слое полупроводника возникает электрическое поле, отталкивающее электроны. Этот слой оказывается обедненным.
В полупроводнике p‑типа, где основными носителями являются положительные заряды - дырки, та полярность напряжения, которая отталкивала электроны, будет притягивать дырки и создавать обогащенный слой с пониженным сопротивлением. Смена полярности в этом случае приведет к отталкиванию дырок и образованию приповерхностного слоя с повышенным сопротивлением.
С увеличением количества примесей того или иного типа электропроводность кристалла начинает приобретать все более ярко выраженный электронный или дырочный характер. В соответствии с первыми буквами латинских слов negativus и positivus электронную электропроводность называют электропроводностью n‑типа, а дырочную - p‑типа, отмечая этим, какой тип подвижных носителей заряда для данного полупроводника является основным, а какой - неосновным.
При электропроводности, обусловленной наличием примесей (т. е. примесной), в кристалле по‑прежнему остается 2 типа носителей: основные, появляющиеся главным образом за счет введения в полупроводник примесей, и неосновные, обязанные своим появлением тепловому возбуждению. Содержание в 1 см 3 (концентрация) электронов n и дырок p для данного полупроводника при данной температуре есть величина постоянная: n − p = const. Это значит, что, увеличивая за счет введения примесей в несколько раз концентрацию носителей данного типа, мы во столько же раз уменьшаем концентрацию носителей другого типа. Следующее важное свойство полупроводников - их сильная чувствительность к температуре и облучению. С ростом температуры повышается средняя энергия колебания атомов в кристалле, и все большее количество связей будет подвергаться разрыву. Будут появляться все новые и новые пары электронов и дырок. При достаточно высоких температурах собственная (тепловая) проводимость может сравняться с примесной или даже значительно превзойти её. Чем выше концентрация примесей, тем при более высоких температурах будет наступать этот эффект.
Разрыв связей может осуществляться также за счет облучения полупроводника, например, светом, если энергия световых квантов достаточна для разрыва связей. Энергия разрыва связей у разных полупроводников различна, поэтому они по‑разному реагируют на те или иные участки спектра облучения.
В качестве основных полупроводниковых материалов используют кристаллы кремния и германия, а в роли примесей - бор, фосфор, индий, мышьяк, сурьму и многие другие элементы, сообщающие полупроводникам необходимые свойства. Получение полупроводниковых кристаллов с заданным содержанием примесей - сложнейший технологический процесс, проводимый в особо чистых условиях с использованием оборудования высокой точности и сложности.
Все перечисленные важнейшие свойства полупроводников используются для создания самых различных по своему назначению и областям применения полупроводниковых приборов. В технике широко используются диоды, транзисторы, тиристоры и многие другие полупроводниковые приборы. Применение полупроводников началось сравнительно недавно, а сегодня уже трудно перечислить все их «профессии». Они преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества создают теплоту и холод (см. Гелиоэнергетика). Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в миниатюрных блоках электронной вычислительной машины. Инженеры не могут сегодня обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.
Об этом можно прочесть в статье Микроэлектроника.
Полупроводниковые приборы, обладающие рядом свойств, которые делают их применение предпочтительным перед вакуумными приборами, все более широко используются в электронной технике. В последние годы, характеризующиеся прогрессом в полупроводниковой электронике, разрабатываются приборы на новых физических принципах.
К полупроводникам относят многие химические элементы, такие, как кремний, германий, индий, фосфор и др., большинство оксидов, сульфидов, селенидов и теллуридов, некоторые сплавы, ряд минералов. По словам академика А. Ф. Иоффе, "полупроводники - это почти весь окружающий нас неорганический мир".
Полупроводники бывают кристаллические, аморфные и жидкие. В полупроводниковой технике обычно используют только кристаллические полупроводники (монокристаллы с примесями не более одного атома примеси на 1010 атомов основного вещества). Обычно к полупроводникам относят вещества, по удельной электрической проводимости занимающие промежуточное положение между металлами и диэлектриками (отсюда происхождение их названия). При комнатной температуре удельная электрическая проводимость их составляет от 10-8 до 105 См/м (для металлов - 106-108 См/м, для диэлектриков - 10-8-10-13 См/м). Основная особенность полупроводников - возрастание удельной электрической проводимости при повышении температуры (для металлов она падает). Электропроводность полупроводников значительно зависит от внешних воздействий: нагревания, облучения, электрического и магнитного полей, давления, ускорения, а также от содержания даже незначительного количества примесей. Свойства полупроводников хорошо поясняются с помощью зонной теории твердого тела.
Атомы всех веществ состоят из ядра и электронов, движущихся по замкнутой орбите вокруг ядра. Электроны в атоме группируются в оболочки. У основных полупроводников, используемых для создания полупроводниковых приборов - кремния и германия, кристаллическая решетка тетраэдрическая (имеет форму правильной треугольной пирамиды) (рис. 16.1). Проекция структуры Ge на плоскость показана на рис. 16.2. Каждый валентный электрон, т. е. электрон, находящийся на внешней, незаполненной, оболочке атома, в кристалле принадлежит не только своему, но и ядру соседнего атома. Все атомы в кристаллической решетке расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и связаны ковалентными связями (ковалентной называется связь между парой валентных электронов двух атомов, на рис. 16.2 она показана двумя линиями). Эти связи являются прочными; чтобы их разорвать, нужно извне приложить энергию.
Энергия электрона W дискретна, или квантована, поэтому электрон может двигаться только по той орбите, которая соответствует его энергии. Возможные значения энергии электрона можно представить на диаграмме энергетическими уровнями (рис. 16.3). Чем более удалена орбита от ядра, тем больше энергия электрона и тем более высок его энергетический уровень. Энергетические уровни разделены зонами II, соответствующими запрещенной энергии для электронов (запрещенные зоны). Так как в твердом теле соседние атомы находятся очень близко друг от друга, это вызывает смещение и расщепление энергетических уровней, в результате чего образуются энергетические зоны, называемые разрешенными (I, III, IV на рис. 16.3). Ширина разрешенных зон обычно равна нескольким электрон-вольт. В энергетической зоне число разрешенных уровней равно числу атомов в кристалле. Каждая разрешенная зона занимает определенную область энергии и характеризуется минимальным и максимальным уровнями энергии, которые называются соответственно дном и потолком зоны.
Разрешенные зоны, в которых электроны отсутствуют, называются свободными (I). Свободная зона, в которой при температуре 0 К электронов нет, а при более высокой температуре они могут в ней находиться, называется зоной проводимости.
Она находится выше валентной зоны (III) - верхней из заполненных зон, в которых все энергетические уровни заняты электронами при температуре 0 К.
В зонной теории подразделение твердых тел на металлы, полупроводники и диэлектрики основано на ширине запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости и степени заполнения разрешенных энергетических зон (рис. 16.4). Ширина запрещенной зоны ΔWa называется энергией активации собственной электропроводности. Для металла ΔWa = 0 (рис. 16.4, а); условно при ΔWa ≤ 2 эВ кристалл является полупроводником (рис. 16.4,6), при ΔWa ≥ 2 эВ - диэлектриком (рис. 16.4, в). Так как у полупроводников значение ΔWa сравнительно невелико, то достаточно сообщить электрону энергию, сравнимую с энергией теплового движения, чтобы он перешел из валентной зоны в зону проводимости. Этим объясняется особенность полупроводников - увеличение электропроводности при повышении температуры.
Электропроводность полупроводников. Собственная электропроводность. Для того чтобы вещество обладало электропроводностью, оно должно содержать свободные носители заряда. Такими носителями заряда в металлах являются электроны. В полупроводниках - электроны и дырки.
Рассмотрим электропроводность собственных полупроводников (i-тип), т. е. таких веществ, в которых не содержатся примеси и нет структурных дефектов кристаллической решетки (пустых узлов, сдвигов решетки и др.) При температуре 0 К в таком полупроводнике свободных носителей заряда нет. Однако с повышением температуры (или при другом энергетическом воздействии, например освещении) часть ковалентных связей может быть разорвана и валентные электроны, став свободными, могут уйти от своего атома (рис. 16.5). Потеря электрона превращает атом в положительный ион. В связях на том месте, где раньше был электрон, появляется свободное ("вакантное") место - дырка. Заряд дырки положительный и по абсолютному значению равен заряду электрона.
Свободное место - дырку - может заполнить валентный электрон соседнего атома, на месте которого в ковалентной связи образуется новая дырка, и т. д. Таким образом, одновременно с перемещением валентных электронов будут перемещаться и дырки. При этом следует иметь в виду, что в кристаллической решетке атомы "жестко" закреплены в узлах. Уход электрона из атома приводит к ионизации, а последующее перемещение дырки означает поочередную ионизацию "неподвижных" атомов. Если электрическое поле отсутствует, электроны проводимости совершают хаотическое тепловое движение. Если полупроводник поместить во внешнее электрическое поле, то электроны и дырки, продолжая участвовать в хаотическом тепловом движении, начнут перемещаться (дрейфовать) под действием поля, что и создаст электрический ток. При этом электроны перемещаются против направления электрического поля, а дырки, как положительные заряды,- по направлению поля. Электропроводность полупроводника, возникающая за счет нарушения ковалентных связей, называется собственной электропроводностью.
Электропроводность полупроводников может быть объяснена и с помощью зонной теории. В соответствии с ней все энергетические уровни валентной зоны при температуре 0 К заняты электронами. Если электронам сообщить извне энергию, превышающую энергию активации ΔWa, то часть валентных электронов перейдет в зону проводимости, где они станут свободными, или электронами проводимости. Вследствие ухода электронов из валентной зоны в ней образуются дырки, число которых, естественно, равно числу ушедших электронов. Дырки могут быть заняты электронами, энергия которых соответствует энергии уровней валентной зоны. Следовательно, в валентной зоне перемещение электронов вызывает перемещение в противоположном направлении дырок. Хотя в валентной зоне перемещаются электроны, обычно удобнее рассматривать движение дырок.
Процесс образования пары "электрон проводимости - дырка проводимости" называется генерацией пары носителей заряда (1 на рис. 16.6). Можно сказать, что собственная электропроводность полупроводника - это электропроводность, вызванная генерацией пар "электрон проводимости - дырка проводимости". Образовавшиеся электронно-дырочные пары могут исчезнуть, если дырка заполняется электроном: электрон станет несвободным и потеряет возможность перемещения, а избыточный положительный заряд иона атома окажется нейтрализованным. При этом одновременно исчезают и дырка, и электрон. Процесс воссоединения электрона и дырки называется рекомбинацией (2 на рис. 16.6). Рекомбинацию в соответствии с зонной теорией можно рассматривать как переход электронов из зоны проводимости на свободные места в валентную зону. Отметим, что переход электронов с более высокого энергетического уровня на более низкий сопровождается высвобождением энергии, которая либо излучается в виде квантов света (фотоны), либо передается кристаллической решетке в виде тепловых колебаний (фононы). Среднее время существования пары носителей заряда называется временем жизни носителей заряда. Среднее расстояние, которое проходит носитель заряда за время жизни, называется диффузионной длиной носителя заряда (Lр, - для дырок, Ln - для электронов).
При постоянной температуре (и в отсутствие других внешних воздействий) кристалл находится в состоянии равновесия: число генерированных пар носителей заряда равно числу рекомбинированных пар. Число носителей заряда в единице объема, т. е. их концентрация, определяет значение удельной электрической проводимости. Для собственного полупроводника концентрация электронов ni равна концентрации дырок pi (ni = pi).
Примесная электропроводность. Если в полупроводник внести примесь, он будет обладать помимо собственной электропроводности еще и примесной. Примесная электропроводность может быть электронной или дырочной. В качестве примера рассмотрим случай, когда в чистый германий (четырехвалентный элемент) вводится примесь пятивалентного элемента, например мышьяка (рис. 16.7, а). Атом мышьяка связывается в кристаллической решетке германия ковалентными связями. Но в связи могут участвовать только четыре валентных электрона мышьяка, а пятый электрон оказывается "лишним", менее сильно связанным с атомом мышьяка. Для того чтобы этот электрон оторвать от атома, нужно значительно меньше энергии, поэтому уже при комнатной температуре он может стать электроном проводимости, не оставляя при этом в ковалентной связи дырки. Таким образом, в узле кристаллической решетки появляется положительно заряженный ион примеси, а в кристалле - свободный электрон. Примеси, атомы которых отдают свободные электроны, называются донорными (донорами).
На рис. 16.7,б показана диаграмма энергетических зон полупроводника с донорной примесью. В запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости создается разрешенный энергетический уровень (примесный, донорный), на котором при температуре, близкой к 0 К, располагаются "лишние" электроны. Для перевода электрона с примесного уровня в зону проводимости требуется меньше энергии, чем для перевода электрона из валентной зоны. Расстояние от донорного уровня до дна зоны проводимости называется энергией ионизации (активации) доноров ΔWиd.
Внесение в полупроводник донорной примеси существенно увеличивает концентрацию свободных электронов, а концентрация дырок остается такой же, какой она была в собственном полупроводнике. В таком примесном полупроводнике электропроводность обусловлена в основном электронами, ее называют электронной, а полупроводники - полупроводниками n-типа. Электроны в полупроводниках n-типа являются основными носителями заряда (их концентрация высока), а дырки - неосновными.
Если в германий ввести примесь трехвалентного элемента (например, индия), то для образования восьмиэлектронной ковалентной связи с германием индию не хватит одного электрона. Одна связь останется незаполненной. При незначительном повышении температуры в незаполненную валентную связь может перейти электрон соседнего атома германия, оставив на своем месте дырку (рис. 16.8, а), которая может быть также заполнена электроном и т. д. Таким образом, дырка как бы перемещается в полупроводнике. Примесный атом превращается в отрицательный ион. Примеси, атомы которых способны при возбуждении принять валентные электроны соседних атомов, создав в них дырку, называют акцепторными или акцепторами.
На рис. 16.8,б показана диаграмма энергетических зон полупроводника с акцепторной примесью. В запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны создается примесный энергетический уровень (акцепторный). При температурах, близких к 0 К, этот уровень свободен, при повышении температуры он может быть занят электроном валентной зоны, в которой после ухода электрона образуется дырка. Расстояние от потолка валентной зоны до акцепторного уровня называется энергией ионизации (активации) акцепторов ΔWиa. Внесение в полупроводник акцепторной примеси существенно увеличивает концентрацию дырок, а концентрация электронов остается такой же, какой она была в собственном полупроводнике. В этом примесном полупроводнике электропроводность обусловлена в основном дырками, ее называют дырочной, а полупроводники - полупроводниками р-типа. Дырки для полупроводника р-типа - основные носители заряда, а электроны - неосновные.
В примесных полупроводниках наряду с примесной электропроводностью существует и собственная, обусловленная наличием неосновных носителей. Концентрация неосновных носителей в примесном полупроводнике уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается концентрация основных носителей, поэтому для полупроводников n-типа справедливо соотношение nnpn = nipi = ni2 = pi2 , а для полупроводников р-типа - соотношение ppnp = ni2 = pi2 , где nn и pn - концентрация основных, a pp и np - концентрация неосновных носителей заряда соответственно в полупроводнике n и р-типа.
Удельная электрическая проводимость примесного полупроводника определяется концентрацией основных носителей и тем выше, чем больше их концентрация. На практике часто встречается случай, когда полупроводник содержит и донорные, и акцепторные примеси. Тогда тип электропроводности будет определяться примесью, концентрация которой выше. Полупроводник, у которого концентрации доноров Nd и акцепторов Na равны (Nd = Na)), называют скомпенсированным.
