Полупроводниковые материалы

 

Полупроводники – материалы с электронной проводимостью, удельное сопротивление которых лежит в пределах между удельными сопротивлениями металлов и диэлектриков. Главным определяющим фактором при отнесении материала к разряду полупроводников является сильная положительная зависимость от внешних энергонесущих факторов (температура, освещённость, давление, радиация), сильная зависимость удельного сопротивления от степени легирования.

С точки зрения зонной теории твёрдого тела, полупроводника имеют неширокую зону запрещённой энергии между валентной зоной и зоной проводимости. Эта запрещённая зона оказывает значительное влияние на свойства полупроводников. Условно можно сказать: запрещённая зона составляет 0,3 – 3 эВ при комнатной температуре (ширина запрещённой зоны слегка изменяется в зависимости от температуры).

 

Электропроводность полупроводниковых материалов

Собственными полупроводниками называют вещества, в которых при данной температуре можно пренебречь влиянием примеси.

Полупроводник при температуре близкой к 0 К ведёт себя как абсолютный диэлектрик, так как все электроны находятся в валентной Зое, намертво привязанные к атому кристаллической решётки, и, следовательно, не способны к перемещению. Однако при повышении температуры существует статистическая вероятность того, что за счёт тепловых колебаний решётки появятся электроны, приобретшие энергию, достаточную для отрыва от атома, то есть для перехода через запрещённую зону, при этом возникает пара свободных носителей заряда, способных к перемещению.

Дырка не элементарная частица, а некая физико-математическая модель, применяемая для описания отсутствия электрона возле атома. Так же как и электроны, дырки под действием электрического поля могут перемещаться по объёму материала

 

Рисунок 20.

 

За счёт явления «лёгкого обменного взаимодействия», обусловленного перекрытием электронных оболочек соседних атомов, электрон может от одного атома перейти к другому на вакантное место без приобретения дополнительной энергии, то есть связанный электрон без перехода в зону проводимости переходит от одного атома к другому.

В данном случае перемещение дырки представляет собой перемещение электронов, только связанных.

Движение свободного электрона подчиняется законам, описываемым с помощью понятия длина свободного пробега (> b). В тоже время, перемещение связанного электрона (дырки) за каждый элементарный шаг осуществляется на межатомное расстояние b. Следовательно, .

.

Это говорит о том, что параметры движения электрона и дырки различны, и мы вынуждены рассматривать их как разные носители заряда.

Параллельно с процессом генерации в материале идёт процесс рекомбинации.

Рекомбинация – процесс потери электроном энергии и переход его в связанное состояние.

Генерация и рекомбинация происходят параллельно только в том случае, если речь идёт о большом количестве носителей заряда.

В результате протекания этих двух конкурирующих процессов, один из которых приводит к увеличению числа носителей заряда, а другой к уменьшению, в материале возникает равновесная концентрация носителей заряда, характеризующаяся равенством скоростей генерации и рекомбинации.

Равновесная концентрация – концентрация, которая соответствует условиям, в которых находится материал.

В случае изменения условий окружающей среды, в момент изменения концентрации.

Пока существует переходный процесс от одной равновесной концентрации к другой, в материале имеет место неравновесная концентрация.

 

 

Рисунок 21.

 

Собственный полупроводник имеет примерно равное число электронов в зоне проводимости числу дырок, образующихся в валентной зоне.

Поскольку мы вынуждены рассматривать дырки и электроны как самостоятельные и разные носители заряда, то мы фактически считаем, что общее число носителей, образовавшихся под воздействием тепла, будет равно удвоенному числу свободных электронов.

Считая, что электроны в материале подчинены в квантовой физике статистике Ферми – Дирака:

,

где и - эффективные плотности состояний в зоне проводимости и в валентной зоне соответственно;

- концентрация атомов в единице объёма;

А – коэффициент, определяющий число возможных оторванных электронов;

- энергия, необходимая для отрыва электрона (для собственных полупроводников она равна ширине запрещённой зоны).

Эта же формула определяет температурную зависимость концентрации носителей заряда и проводимости:

 

Рисунок 22.

 

Примесные полупроводники

Примесными называют полупроводники, электрофизические параметры которых определяются наличием примеси.

Примеси бывают либо примесями внедрения (атомы внедряются в междоузлия и поры кристаллической решётки), либо замещения (атомы занимают места в узлах решётки, образуя связи с атомами основного материала).

И те и другие примеси влияют на величину электропроводности полупроводников. Однако тип проводимости изменяют только примеси замещения. Для полупроводников из примесей замещения выделяются донорные и акцепторные примеси.

 

Донорнолегированные полупроводники

Донорные примеси – примеси с валентностью большей, чем у собственного полупроводника, следовательно, они имеют большее число электронов в валентной зоне и при образовании связей с атомами полупроводника один из этих электронов (валентный) окажется незадействованным, следовательно, его легко можно оторвать от полупроводника.

С точки зрения зонной теории, донорная примесь, как и любой дефект кристаллической решетки, создаёт в запрещенной зоне разрешенный для пребывания электронов уровень. При этом примесный уровень располагается вблизи дна зоны проводимости.

 

 

Рисунок 23

 

;

- число электронов в зоне проводимости намного больше числа дырок в валентной зоне.

Суммарный заряд донорнолегированных полупроводников по прежнему равен нулю. Однако, когда мы берём неравенство , мы подразумеваем те носители заряда, которые способны перемещаться по объёму полупроводника. Дырки, формирующиеся на донорном уровне, не участвуют в процессе переноса, поскольку обменное взаимодействие между атомом примеси и соседним атомом полупроводника невозможно. Положительный заряд ионов примеси компенсируется отрицательным зарядом свободных электронов. Если эти электроны убрать из объёма полупроводника, то в возникшей обеднённой зоне мы увидим положительный заряд ионов примеси.

 

Акцепторнолегированные полупроводники

Акцепторные примеси имеют валентность меньшую, чем собственный полупроводник.

Встраиваясь в кристаллическую решётку и образуя связи, эти примеси захватывают недостающий для образования связи электрон у полупроводника. Таким образом, сами атомы примеси заряжаются отрицательно, то есть превращаются в отрицательно заряженные ионы.

С точки зрения зонной теории акцепторная примесь образует акцепторный уровень вблизи потолка валентной зоны и, следовательно, электронам гораздо легче перейти на этот уровень.

 

 

Рисунок 24.

 

;

Электроны, попавшие на примесный уровень, не принимают участия в электропроводности по той же причине, что и дырки в предыдущем случае, а ионы примеси в обеднённой зоне образуют область отрицательного пространственного заряда.

 

Температурная зависимость концентрации носителей заряда в примесных полупроводниках

 

 

Рисунок 25

 

Степени легирования подчиняются неравенству:

.

На участке 1–2 концентрация носителей заряда растёт за счёт примеси – участок работы примеси.

2–3 область истощения примеси, когда она отдала все свои электроны.

3–4 участок собственной проводимости полупроводника, концентрация носителей заряда растёт за счёт атомов полупроводника.

 

В сильно легированных полупроводниках область истощения примеси не присутствует на графике. По достижении определённой температуры прирост концентрации будет происходить интенсивнее за счёт самого полупроводника.

На участке работы примеси угол наклона прямой определяется энергией, необходимой для перехода с примесного уровня в зону проводимости.

На участке 3 – 4 угол наклона будет определяться шириной запрещённой зоны.

Таком образом:

· даже сильно легированные полупроводники при определённой температуре начинают вести себя как собственные;

· все полупроводники, используемые в электронных приборах, за исключением вырожденных, работают на участке эксплуатационных температур .

Классификация полупроводников

 

А – первый элемент в химическом соединении,

В – второй элемент,

I, II, …, VI – валентность.