Рациональное применение полупроводниковых приборов требует знания физических принципов их работы

Рис.5. Плоская модель идеальной решётки полупроводника

а б

в
Рис.6. Дефекты кристаллических решёток: а- межузельный атом, б- вакансия, в- дислокации

При выращивании монокристаллов из расплава очень трудно получить материалы со строго регулярной структурой. Обычно в процессе производства получаются неоднородности разных типов, нарушается периодичность кристаллической решетки, появляются разнообразные дефекты, в частности, такие, как на рис.6.

К важнейшим дефектам кристаллических решеток относятся дислокации - специфические линейные дефекты, связанные с нарушением правильного чередования плоскостей, в которых располагаются группы атомов.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют Ge и Si с плотностью дислокаций, не превышающей 10⁴ на 1 см². Причем, для разных типов приборов существует свое предельное значение.

Плотность дислокаций исходного полупроводникового материала во многом определяет электрические параметры приборов, а также разброс этих параметров от экземпляра к экземпляру. От плотности дислокаций в материале зависит и процент годных приборов в серийном производстве.

СОБСТВЕННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ
В полупроводнике с идеальной структурой, изображенной на рис.5, все электроны находятся в связанном состоянии. Если такой полупроводник поместить во внешнее электрическое поле, то электрический ток не возникнет, так как все ковалентные связи в решетке завершены и свободных носителей заряда нет.

При воздействии каких-либо возмущений, например, теплоты, в полупроводнике происходит разрыв ковалентной связи и электрон становится свободным, т.е. электроном проводимости. Необходимо иметь в виду, что этот электрон является свободным только с точки зрения его перемещения по кристаллу.

В отсутствие внешнего электрического поля свободный электрон, совершая тепловое движение в кристалле полупроводника, будет сталкиваться с дефектами кристаллической решетки, в результате чего меняется направление его движения. Тепловое движение свободных электронов является беспорядочным, поэтому средняя скорость электронов, рассматриваемая как векторная величина, равна нулю. Это означает, что каждому движущемуся свободному электрону можно противопоставить свободный электрон, перемещающийся в противоположную сторону с такой же скоростью. Следовательно, вследствие беспорядочного теплового движения
количество свободных электронов, движущихся в любом направлении, в среднем равно числу электронов, движущихся в противоположном направлении. Беспорядочное тепловое движение носителей заряда не дает тока. В полупроводниках при комнатной температуре скорость теплового движения электронов имеет порядок 10⁷ см/с.

Если полупроводник находится во внешнем электрическом поле, то под воздействием этого поля свободные электроны приобретут скорость, направленную против поля. Вследствие этого у электронов, тепловое движение которых происходило против направления внешнего электрического поля, скорость увеличится, а у электронов, движущихся в направлении поля, уменьшится. В результате вся совокупность свободных электронов получает некоторую скорость движения в направлении, противоположном направлению внешнего электрического поля. Изменение скорости движения электронов скажется на их кинетической энергии. При столкновении с дефектами кристаллической решетки электроны передают решетке всю энергию, приобретенную в поле, вследствие чего они придут в тепловое равновесие с решеткой. После столкновения электроны, совершая хаотическое тепловое движение, опять будут иметь направленное движение во внешнем электрическом поле.

Таким образом, фактическое движение электрона в кристалле складывается из беспорядочного теплового и упорядоченного движения, вызванного действием внешнего электрического поля. В результате этого происходит медленное перемещение всей совокупности свободных электронов с некоторой средней скоростью. Направленное движение совокупности свободных носителей заряда во внешнем электрическом поле носит название дрейфа, а скорость их направленного движения называют дрейфовой. Если средняя скорость движения свободных электронов не равна нулю, то через полупроводник в направлении электрического поля потечет ток, обусловленный свободными электронами.

С точки зрения зонной теории появление свободного электрона при разрыве ковалентной связи, например за счет теплоты, равнозначно переходу электрона из валентной зоны в зону проводимости. При обычных температурах в зоне проводимости полупроводника всегда есть некоторое количество электронов, заброшенных туда из валентной зоны путем теплового возбуждения. В зоне проводимости электроны приобретают возможность изменять

свою энергию под действием сил электрического поля, т.е. переходить на свободные энергетические уровни, осуществляя перенос электрического заряда.

Электропроводность полупроводника, обусловленную движением свободных электронов, называют электронной. На диаграмме энергетических уровней это соответствует перемещению электронов с уровня на уровень в зоне проводимости.

Электропроводность в полупроводниках создается не только свободными электронами. В полупроводниках существует и другой вид проводимости - дырочная. Дело в том, что после переброски электронов в зону проводимости в валентной зоне остаются пустые места (незаполненные состояния электронов), в результате чего все остальные электроны (связанные) получают возможность перемещаться. В этом случае при описании движения связанных электронов удобнее рассматривать движение не самих электронов, а пустых мест, называемых дырками. "Дырка" – понятие, введенное в квантовой теории твердого тела. Таким образом, переход электронов из валентной зоны в зону проводимости приводит к образованию дырок - вакантных уровней в валентной зоне. В кристалле разрыв ковалентных связей сопровождается не только появлением свободных электронов. Незаполненная (незавершенная) ковалентная связь имеет избыточный положительный заряд, поскольку он теперь не скомпенсирован зарядом электрона. Этот положительный заряд, равный заряду электрона, принято относить к незаполненной ковалентной связи и называть его дыркой. На незаполненную связь легко переходят электроны с соседних связей (электронные оболочки соседних атомов соприкасаются, перекрываются), чему способствует тепловое движение в кристалле. При отсутствии электрического поля дырки хаотически перемещаются по кристаллической решетке. При наличии внешнего электрического поля дырки приобретают возможность двигаться в направлении, соответствующем переносу положительного заряда, т.е. также, как и свободные электроны, вносят вклад в ток. Связанные электроны при переходе в неполноценную связь под действием внешнего электрического поля будут перемещаться против направления поля, тем самым дырка будет перемещаться по направлению внешнего электрического поля, что равносильно перемещению по полю положительного заряда.

Электропроводность, обусловленная движением связанных электронов по свободным местам в ковалентных связях, получила
название дырочной электропроводности. С точки зрения зонной теории дырочная электропроводность обусловлена перемещением электронов в валентной зоне.

Таким образом, в чистом полупроводнике, не содержащем примесей, осуществляется электронная и дырочная электропроводность. Следовательно, электрический ток в абсолютно чистом, так называемом "собственном" полупроводнике, определяется двумя составляющими - электронным и дырочным, текущими в одном направлении.

В собственном полупроводнике свободные электроны и дырки под действием тепла и света образуются парами. Число их в стационарном режиме определяется равновесием между процессами генерации и рекомбинации свободных носителей заряда (электронов и дырок). Генерация носителей - образование пар, рекомбинация - их исчезновение. Процессы генерации и рекомбинации идут непрерывно.

Электропроводность полупроводника, обусловленная парными носителями теплового происхождения, называется собственной. При комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок в германии составляет примерно 10¹³см^-3, а у кремния – около 10¹⁰см^-3. Увеличение температуры полупроводника приводит к возрастанию количества разорванных связей, следовательно, к росту концентрации свободных электронов и дырок в полупроводнике. В собственном полупроводнике концентрации свободных электронов и дырок обозначаются n_i и p_i . Они равны и зависят от материала полупроводника и температуры, заметно возрастая с её повышением.

Удельная электропроводность собственных полупроводников зависит от концентрации электронов проводимости, дырок и их подвижности, так как
σ_i = σ_n+σ_p = e·μ_n·n_i+e·μ_p·p_i = e·(μ_n+μ_p)·n_i , (2)
а концентрация электронов проводимости (дырок) зависит от ширины запрещенной зоны (материала) и температуры. У кремния ширина запрещенной зоны больше, чем у германия, поэтому концентрация подвижных носителей и собственная электропроводность у него меньше, чем у германия, при прочих равных условиях. При комнатной температуре из-за относительно большой ширины запрещенной зоны у кремния, германия, арсенида галлия под действием тепла создается и поддерживается небольшая концентрация электронов проводимости и дырок, поэтому собственная электропроводность этих полупроводников при комнатной температуре относительно мала. При повышении

температуры экспоненциально растёт число тепловых забросов электронов из валентной зоны в зону проводимости, поэтому можно считать, что в отличие то металлов электропроводность собственных полупроводников возрастает при увеличении температуру примерно по экспоненциальному закону.

Собственных полупроводников (идеальных кристаллов бесконечной протяженности) в природе не существует. Реальные кристаллы имеют конечные размеры, дефекты и примеси. И если в справочниках иногда производят параметры "собственного" полупроводника материала, то это означает лишь, что имеется в виду полупроводник, у которого концентрация примесей и дефектов ниже определенной величины. Собственные полупроводники используются в электронной технике редко.

ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

Главную роль в полупроводниковой электронике играют примесные полупроводники, в которых концентрации электронов и дырок значительно различаются.

Любые примеси в полупроводниках приводят к существенному изменению их свойств, несмотря на очень малое процентное содержание примесей (один атом примесей на 10⁵-10⁷ атомов основного вещества). В частности, изменяется электропроводность полупроводника. В этом случае она называется примесной. Можно контролировать количество и тип вводимой примеси и, следовательно, электропроводность полупроводникового материала.

Различают примеси донорные ("отдающие" электроны) и акцепторные ("принимающие" электроны, образующие дырки в атомах полупроводника). В качестве донорных примесей используются элементы V группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева: фосфор, мышьяк, сурьма и др. В качестве акцепторных - элементы III группы: бор, алюминий, галлий, индий и др.

Если ввести в кремний атом пятивалентного фосфора, то четыре из его пяти валентных электронов образуют с четырьмя электронами соседних атомов кремния ковалентные связи, как это схематически представлено на рис. 7,а. Пятый электрон примеси, не принимающий участия в образовании ковалентной связи, слабо связан с атомом примеси. При низких температурах пятый электрон локализован около атома примеси, но при повышенных температурах он может быть

отщеплён от примеси и будет свободно перемещаться по кристаллу.

а б
Рис.7. Модель кристаллической решётки примесного полупроводника:

а - электронного типа; б — дырочного типа
В этом случае электронейтральность кристалла соблюдается, так как атом фосфора, отдающий пятый электрон, становится положительным ионом.

Наряду с ионизацией примеси может происходить и ионизация атомов основного вещества. Но в области температур ниже той, при которой имеет место значительная собственная электропроводность, количество электронов, оторванных от примеси, будет значительно больше количества электронов и дырок, образовавшихся в результате разрыва ковалентных связей. В силу этого доминирующую роль в проводимости полупроводника будут играть электроны проводимости. Их называют основными носителями заряда (концентрация обозначается n_n), а дырки – не основными носителями заряда (концентрация - p_n). Такой полупроводник называют электронным, или n-типа, а примесь, дающую электроны донорной, или примесью n-типа (n-от negative - отрицательный). Следовательно, в полупроводнике n-типа концентрация электронов значительно больше концентрации дырок, n_n >> p_n. Наличие примеси в кристалле полупроводника будет характеризоваться появлением локальных уровней, лежащих в запрещенной зоне. Так как при

ионизации атомов фосфора образуется свободный электрон и для его возникновения требуется значительно меньшая энергия, чем для разрыва ковалентной связи кремния, энергетический уровень донорной примеси Wд должен располагаться в запрещений зоне в непосредственной близости к дну зоны проводимости Wпр (pис.8,а). Примесные уровни изображены на диаграмме штрихами.

W

2s