Лекция № 4

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Сопротивлением а, следовательно, и проводимостью полупроводниковых материалов можно управлять, изменяя напряжение, температуру, освещенность и другие факторы. По способности проводить электрический ток полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Полупроводники в отличии от проводников, имеют отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления . Диапазон значений удельного электрического сопротивления ρ для полупроводников лежит в пределах 10^-6 − 10⁹ Ом∙м. При снижении температуры полупроводниковых материалов, их проводимость уменьшается, и при температуре около 0 ⁰К, становится равной нулю. При повышении температуры происходит обратный процесс.

Электропроводность полупроводника резко изменяется при введении в него даже незначительного числа атомов примесного вещества. Например, при введении в химически чистый германий 0,001% мышьяка его удельная проводимость увеличивается в 10000 раз.

В полупроводниках возможны процессы преобразования электрической энергии в тепловую, световую и механическую.

4.1. Свойства полупроводников

Основные свойства полупроводниковых материалов характеризуют следующие показатели: собственная и примесная проводимости; электропроводность, оптические и фотооптические явления в полупроводниках, электронные процессы на поверхности полупроводников, контактные явления в полупроводниках.

Собственная и примесная проводимости полупроводников. Собственную проводимость полупроводников рассмотрим на примере кремния. Кремний образует гранецентрированную кубическую решетку. Каждый атом кремния расположен в узле кристаллической решетки, окружен четырьмя другими атомами и имеет с ними ковалентные связи. При этом все электроны внешних оболочек атома кремния участвуют в образовании ковалентных связей, и свободные носители заряда отсутствуют (рис. 4.1, а). Если электрону, находящемуся на внешней оболочке, дать дополнительную энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи, он превращается в свободный носитель заряда. Величина этой энергии определяется шириной запретной зоны и называется энергией активации (рис. 4.2). Освободившийся электрон под воздействием тепловой энергии совершает хаотические движения по объему полупроводника. На месте электрона появляется положительный заряд, равный заряду электрона, который называется дыркой.

На зонной диаграмме электрон находится в зоне проводимости , а дырка – в валентной зоне . При отсутствии электрического поля совершает хаотические перемещения, Ее перемещение обусловлено тем, что при воздействии тепловой энергии электрон соседней ковалентной связи может заполнить свободную ковалентную связь в атоме с дыркой. В результате этого атом, у которого заполнены все связи, становится нейтральным, а в атоме, потерявшем электрон, появляется дырка (рис. 4.1, б).

При воздействии на полупроводник внешнего электрического поля электрон перемещается в направлении противоположном направлению вектора напряженности электрического поля , со скоростью . Отношение скорости дрейфа электрона к напряженности электрического поя , называется подвижностью электрона :

.                                                              (4.1)

Подвижность электронов в собственном полупроводнике, как правило, выше подвижности дырок . Это объясняется тем, что механизмы передвижения свободных электронов и электронов, которые перемещаются по незаполненным связям дырок, различны. Для кремния , .

Концентрация свободных электронов в полупроводнике значительно ниже концентрации атомов.

Процесс образования свободных электронов проводимости и дырок проводимости называется генерацией электронно-дырочных пар.

Одновременно с генерацией электронно-дырочных пар в полупроводнике происходит обратный процесс, при этом электроны возвращаются из зоны проводимости в валентную зону, с выделением энергии . Этот процесс называется рекомбинацией носителей зарядов.

Проводимость полупроводника, которая обусловлена генерацией электронно-дырочных пар, называется собственной.

Собственная электропроводность полупроводника складывается из электронной электропроводности и дырочной :

.                                                                (4.2)

Если в кристаллическую решетку кремния ввести примесь – атом элемента пятой группы периодической системы Менделеева (пять валентных электронов), например фосфор, то четыре из пяти валентных электронов фосфора будут участвовать в формировании ковалентных связей с соседними атомами основного элемента кремния (рис. 4.2,а). Пятый валентный электрон связан только со своим атомом и прочность этой связи гораздо меньше прочности ковалентной связи. При небольшой дополнительной энергии этот электрон отрывается от атома фосфора и превращается в электрон проводимости. На месте оторвавшегося электрона образуется дырка, которую не могут заполнить электроны других атомов фосфора, по причине малой их концентрации в кремнии. Следовательно, дырка остается неподвижной, дырочная проводимость в таком полупроводнике отсутствует и его проводимость носит электронный характер.

Полупроводники с преобладанием электронной проводимости называются электронными или n- типа. Электроны в полупроводнике n- типа называются основными носителями заряда, а дырки – не основными носителями.

Примеси, которые вызывают появление в полупроводнике дополнительных свободных электронов, называются донорами.

Если в кристаллическую решетку кремния ввести примесь – атом элемента третьей группы периодической системы Менделеева (три валентных электрона), например бор, то все три валентных электронов бора будут участвовать в формировании ковалентных связей с соседними атомами основного элемента кремния (рис. 4.2,б). При этом, одна связь кремния остается незаполненной. Эту связь может быть заполнена электроном соседнего атома кремния, образовав четвертую ковалентную связь с примесным атомом бора. Для этого электрон должен получить дополнительную энергию, значительно меньшую энергии запретной зоны.

Приняв дополнительный электрон, атом бора становится отрицательным ионом. При этом исчезает одна из четырех связей соседнего атома кремния, в результате чего образуется дырка. В результате тепловых колебаний эта связь может быть восстановлена электроном соседнего атома, где образуется новая дырка. Таким образом, дырки являются свободными носителями заряда, а электропроводность такого полупроводника носит дырочный характер.   

Полупроводники с преобладанием дырочной проводимости называются дырочными или р- типа. Дырки в полупроводнике р- типа называются основными носителями заряда, а электроны – не основными носителями.

Примеси, которые вызывают появление в полупроводнике дополнительных дырок, называются акцепторами.

Введение примесей в полупроводник создает примесную электропроводность, возникающую в результате ионизации атомов примесей. В отличии от собственной примесную электропроводность создают носители заряда одного знака (электронов в полупроводниках n-типа и дырок в полупроводниках р-типа).

Возможность управлять значением и типом электропроводности полупроводников лежит в основе всех полупроводниковых приборов.

Реальные полупроводниковые материалы содержат и донорные, и акцепторные примеси. Их соотношение определяет тип основной электропроводности. Если концентрация донорной примеси больше концентрации акцепторной примеси , то и концентрация свободных электронов будет больше концентрации дырок. В этом случае электроны являются основными носителями и в полупроводнике, преобладает электронная электропроводность. Если , то дырки являются основными носителями заряда и преобладает дырочная электропроводность.

Электропроводности полупроводников.

Удельная электрическая проводимость полупроводников зависит от концентрации свободных носителй заряда, от их подвижности и от температуры. С ростом температуры собственная проводимость полупроводников повышается.

Поглощение света полупроводником приводит к появлению дополнительных носителей заряда, что повышает его электропроводность.

Проводимость, вызванная действием света, называется фотопроводимостью. Фотопроводимость полупроводников пропорциональна освещенности. Эта зависимость используется для создания фоточувствительных приборов.

Электронные процессы на поверхности полупроводников. На реальной поверхности полупроводников практически всегда присутствуют макро и микро дефекты. Наличие этих дефектов приводит к тому, что поверхностные свойства полупроводника могут значительно отличатся от его объемных свойств. Поверхностные уровни могут захватывать электроны и дырки, которые локализуются на поверхности полупроводника, в результате чего в объеме полупроводника возникает пространственный заряд.

Толщина слоя пространственного заряда зависит от плотности поверхностных уровней и и концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике. Появление поверхностных зарядов ухудшает частотные свойства полупроводника.

Контактные явления в полупроводниках. Если одна область полупроводника обладает электронной проводимостью, а другая – дырочной, то границу между этими областями называют электронно-дырочным переходом или p-n переходом. Для получения p-n перехода одну часть полупроводника легируют донорной, а другую – акцепторной примесью. В результате одна часть полупроводника обладает электронной проводимостью, а другая – дырчатой. При отсутствии внешнего электрического поля, электроны дрейфуют в р-область, где велика концентрация дырок и рекомбинируют с дырками. Аналогично дырки диффундируют в n-область. В результате этого у границы раздела n-области остаются нескомпенсированые ионы донорной примеси, которые создают объемный положительный заряд. У границы раздела р-области нескомпенсированые ионы акцепторов создают объемный отрицательный заряд. Положительный объемный положительный заряд препятствует дальнейшей диффузии дырок из р-области в n-область.

Отрицательный объемный заряд акцепторной примеси препятствует диффузии электронов в р-область. В результате чего, на границах p-n перехода создается потенциальный барьер для основных носителей заряда. Изменяя величину и полярность внешнего электрического поля, можно менять высоту потенциального барьера.

4.2. Простые полупроводники

Простыми называют такие полупроводники, основной состав которых образован атомами одного химического элемента.

Большинство полупроводниковых материалов представляют собой кристаллические твердые вещества с упорядоченной периодической структурой.

Основными простыми полупроводниками являются германий, кремний, селен и теллур.

4.3. Полупроводниковые соединения

Простые полупроводники не всегда отвечают требованиям современного производства полупроводниковых приборов. Для создания материалов с различными свойствами широко используют сложные неорганические и органические полупроводниковые соединения.

Структура сложных полупроводников образована атомами различных химических элементов. К этой группе относят твердые, растворы и химические соединения. Наиболее широкое применение нашли неорганические кристаллические полупроводники.