Материал: 2072

таллах, рис. 3.3, а), либо отделены запрещенной зоной (например, в полупроводниках и диэлектриках, рис. 3.3, б и в).

эВ W

Свободная зона

Wз=6 -10 эВ

Валентная зона

в

Рис. 3.3. Энергетические диаграммы: а – кристаллического проводника; б – беспримесного полупроводника; в – диэлектрика

Для полупроводников (германия и кремния) ширина запрещенной зоны Wз составляет соответственно 0,72 и 1,12 эВ. Это объясняется более прочными связями валентных электронов с атомами. Поэтому в диэлектриках очень мало свободных электронов и они обладают очень большим сопротивлением. В полупроводниках (ПП) свободных электронов больше, а в металлах их очень много уже при обычной комнатной температуре, так как валентные электроны имеют очень слабую связь с ядром и при небольшой дополнительной энергии переходят в зону проводимости.

3.2. Электропроводность беспримесных полупроводников. Генерация пар подвижных носителей зарядов (электронов и дырок)

Электропроводность ПП в сильной степени зависит от присутствия в кристаллах даже ничтожного количества примесей. Под примесью понимают атомы с большим или меньшим числом валентных электронов по сравнению с атомами исходного материала.

16

Примесь в химически чистый материал (кремний или германий) вводится в очень малом количестве (на 106 108 атомов исходного материала добавляется с помощью специальной технологии 1 атом примеси).

Рассмотрим вначале электропроводность химически чистого ПП (кремния или германия – элементов IV группы периодической системы Менделеева). Они имеют 4 валентных электрона.

Плоскостная модель кристалла кремния показана на рис. 3.4.

Si

+4

Ковалентная связь

Рис. 3.4. Плоскостная модель кристалла из атомов кремния

При отсутствии примесей при T 0 K в кристалле ПП все валентные электроны находятся в ковалентных связях с атомами, то есть свободных электронов нет. При повышении температуры атомы начинают колебаться, а те электроны, которые получают под действием тепла энергию вышеWз , выходят из ковалентной связи, становятся свободными и перемещаются между узлами. Такие электроны называют подвижными носителями отрицательного заряда. Там, где связь порвалась, образуется избыток положительного заряда. Атом, покинутый электроном, имеющий заряд +е (см. рис. 3.4), называют дыркой. Дырка может быть занята электроном, но тот атом, от которого пришел электрон, становится дыркой. Дырку можно назвать подвижным носителем положительного заряда. Подвижность электронов высокая, подвижность дырок низкая, так как дырки движутся по ковалентным связям, а электрон перемещается свободно между узлами кристаллической решетки.

17

Процесс образования пар “электрон – дырка” называется генерацией пар подвижных носителей заряда.

В чистых ПП количество подвижных электронов и дырок одинаково. Концентрация их зависит от температуры. Поэтому электропроводность чистого ПП довольно сильно зависит от температуры.

Свободный электрон, совершая хаотическое движение, может заполнить дырку в ковалентной связи. Такой процесс называют рекомбинацией носителей зарядов. При этом выделяется тепло либо квант света.

Время жизни свободного электрона зависит от пройденного расстояния, которое называют диффузионной длиной.

Направленное движение электронов и дырок под действием электрического поля создает электрический ток. Электроны и дырки движутся в противоположном направлении, образуя электронную и дырочную составляющие тока. Этот ток называют током собственной проводимости ПП.

3.3. Электропроводность примесных полупроводников. Донорные и акцепторные примеси

Допустим, что в чистый четырехвалентный ПП кремний Si введен пятивалентный химический элемент, например мышьяк As (или сурьма, фосфор). В некоторых узлах появятся пятивалентные элементы. Тогда картина ковалентных связей будет иметь вид, показанный на рис. 3.5, а.

Четыре валентных электрона атома примеси создают ковалентную связь с четырьмя соседними атомами Si, а пятый электрон оказывается избыточным. На его отрыв от атома требуется затратить небольшую по величине энергию. Поэтому уже при комнатной температуре избыточные электроны примеси становятся свободными. Атом As при потере пятого электрона становится положительным ионом, то есть происходит ионизация атома примеси. В области, из которой ушел электрон, остается нескомпенсированный положительный заряд.

Эта примесь называется донорной, так как атом примеси отдает лишний электрон. Одновременно происходит генерация пар “электрон – дырка”, как и в чистом ПП. Однако в ПП с донорной примесью преобладают свободные электроны и он имеет преимущественно электронную проводимость, большую, чем в чистом ПП.

Такой ПП называют полупроводником n-типа. Электроны в нем являются основными подвижными носителями заряда, дырки – неосновными, поэтому электронная составляющая тока является основной.

На энергетической диаграмме в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости появляется нерасщепленный уровень энергии, занятый избыточными электронами (нерасщепленный потому, что соседние атомы примеси далеки и не влияют друг на друга). Для того чтобы перевести с этого уров-

18

ня электрон в зону проводимости, требуется малая дополнительная энергия WД 0,01 0,07 эВ. Поэтому даже при комнатной температуре элек-

троны, не занятые в ковалентных связях, находятся в зоне проводимости, то есть могут перемещаться под действием электрического поля, чем и обусловлена электропроводность ПП n-типа.

Теперь предположим, что в ПП введен трехвалентный атом примеси, например алюминия Al (или индия, бора, галлия). Войдя в узел кристаллической решетки, атом примеси образует своими тремя валентными электронами ковалентную связь с тремя соседними атомами исходного ПП (рис. 3.5, б). Для четвертой связи не хватает одного электрона. Но эта четвертая связь за счет валентного электрона соседнего атома ПП легко образуется, так как для этого требуется небольшая дополнительная энергия, равная 0,01-0,07 эВ. В результате атом примеси превращается в отрицательный ион (неподвижный), а в соседнем атоме образуется дырка. Кристалл в целом остается электрически нейтральным, так как заряд дырки компенсирует заряд лишнего электрона.

Рис. 3.5. Донорная примесь в ПП п-типа (а); акцепторная примесь в ПП р-типа (б)

Эта примесь называется акцепторной. В результате ее введения образуется избыточное количество дырок, поэтому такой ПП обладает большей по сравнению с чистым ПП дырочной проводимостью и его называют ПП р-типа. Основными подвижными носителями заряда являются дырки, а электроны – неосновными, поэтому основная составляющая тока – дырочная. При комнатной температуре все акцепторные уровни оказываются занятыми электронами соседних атомов ПП из валентной зоны.

19

Таким образом, в примесных ПП основные подвижные носители зарядов появляются за счет атомов примесей; неосновные носители зарядов так же, как и в чистом ПП, – за счет тепловых (или других) разрушений ковалентных связей, другими словами, за счет генерации пар носителей зарядов. При этом удельная проводимость примесного ПП на несколько порядков превышает собственную проводимость чистого ПП.

3.4. Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках

Электрический ток может возникнуть либо под действием электрического поля (его называют дрейфовым током), либо вследствие диффузии из-за неравномерного распределения концентрации носителей заряда по объему кристалла (его называют диффузионным током).

Если E 0, то возникает направленное движение зарядов, причем электроны перемещаются по направлению к положительному электроду, дырки – к отрицательному. Так как электроны перемещаются в пространстве между узлами кристаллической решетки, а дырки – по ковалентным связям, то подвижность электронов больше подвижности дырок. В собственных ПП концентрация электронов и дырок одинакова, но вследствие их разной подвижности электронная составляющая тока больше дырочной. В примесных ПП концентрации электронов и дырок значительно различаются, поэтому характер дрейфового тока определяется основными носителями: в ПП р-типа – дырками, а в ПП n-типа – электронами.

При отсутствии внешнего электрического поля в кристалле (E 0) и равномерной концентрации носителей в объеме ПП происходит их хаотическое тепловое движение. При неравномерной концентрации носителей в объеме ПП в случае, когда E 0, тоже имеет место их тепловое хаотическое движение. Но теперь носители заряда движутся в сторону меньшей концентрации. Направленное движение носителей из слоя в слой, где их концентрация ниже, называется диффузией, а ток, вызванный этим явлением, – диффузионным током. Очевидно, чем больше градиент концентрации, тем больше по величине диффузионный ток.

4.ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

4.1.Образование электронно-дырочного перехода в кристалле полупроводника. Потенциальный барьер при отсутствии внешнего электрического поля

Электронно-дырочный переход (ЭДП) или сокращенно р–n-переход

– это тонкий слой в ПП на границе между двумя областями с различными типами проводимости: – одна n-типа, – другая р-типа.

20