Полупроводниковых материалов

Полупроводниковые материалы (германий, кремний) по своему удельному электрическому сопротивлению r за­нимают место между проводниками и диэлектриками (r = 1О^-3...1О⁸ Ом • см). Разная величина проводимости у металлов, полупроводников и диэлектриков обусловлена разной величиной энергии, которую надо затратить на то, чтобы освободить валентный электрон от связей с атома­ми, расположенными в узлах кристаллической решетки. Причем проводимость полупроводников в значительной степени зависит от наличия примесей и температуры.

В полупроводниках присутствуют подвижные носите­ли заряда двух типов: отрицательные электроны и поло­жительные дырки.

Чистые (собственные) полупроводники в полупровод­никовых приборах практически не применяются, так как обладают малой проводимостью и не обеспечивают одно­сторонней проводимости. Подвижные носители заряда в собственных полупроводниках возникают обычно в результате термогенерации. Техническое применение по­дучили так называемые примесные полупроводники, в ко­торых в зависимости от рода введенной примеси пре­обладает либо электронная, либо дырочная проводимость.

Если в кристаллическую решетку 4-валентного крем­ния ввести примесь 5-валентного элемента (фосфора Р, сурьмы Sb, мышьяка As), то четыре валентных электрона каждого примесного атома примут участие в образовании ковалентных связей с четырьмя соседними атомами крем­ния, а пятый валентный электрон окажется избыточным. Он слабо связан с атомом и легко превращается в свобод­ный. При этом атом примеси превращается в положитель-

ный неподвижный ион. Увеличение концентрации сво­бодных электронов увеличивает вероятность рекомбина­ции, поэтому концентрация дырок уменьшается. При нормальной температуре практически все атомы приме­си превращаются в положительные неподвижные ионы, а число свободных электронов значительно превышает число дырок. Основными носителями заряда в таких полупровод­никах являются электроны, поэтому такой полупроводник называется полупроводником л-типа (электронного типа). Неосновными носителями заряда в нем являются дырки. Примеси, атомы которых отдают электроны, называют донорами.

При введении примеси 3-валентного элемента (бора В, индия In, алюминия А1) три валентных электрона каждо­го атома примеси принимают участие в образовании толь­ко трех ковалентных связей, а для четвертой связи атом примеси забирает электрон из какой-либо другой свези между атомами кремния, образуя при этом дырку. Атом примеси превращается в отрицательный неподвижный ион. Таким образом, 3-валентная примесь увеличивает концентрацию дырок, что в свою очередь уменьшает кон-центрацию электронов. Основными носителями заряда таких полупроводников являются дырки, поэтому полу­проводник называется полупроводником р-типа (дыроч­ного типа). Неосновными носителями заряда являются электроны. Вещества, отбирающие электроны, называют­ся акцепторами.

Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов примеси N должна превышать концентрацию электронов n_i и дырок р_i в соб­ственном полупроводнике (n_i = р_i). Практически всегда N гораздо больше n_i и р_i.

Концентрация неосновных носителей уменьшается во столько раз, во сколько раз увеличивается концентрация основных носителей. Это объясняется увеличением веро-

 

ятности рекомбинации. Для примесного полупроводника справедливо равенство

где п, р — концентрация электронов и дырок в примесном полупроводнике.

Число атомов примеси мало по сравнению с числом атомов полупроводника. Если использовать фосфор Р, атомный вес которого примерно равен атомному весу кремния, и добавить в 1 кг расплава кремния только 20 мкг фосфора, то эта добавка увеличит число свободных элек­тронов на 5 порядков. На столько же порядков уменьшит­ся концентрация неосновных носителей.

Концентрация основных носителей определяется кон­центрацией примеси и практически не зависит от темпе­ратуры, так как уже при комнатной температуре все атомы примеси ионизированы, а число основных носителей, воз­никающих за счет генерации пар электрон-дырка, пре­небрежимо мало по сравнению с общим числом основных носителей. В то же время концентрация неосновных носи­телей мала и сильно зависит от температуры, увеличиваясь в 2—3 раза при увеличении температуры на каждые 10^оС.