Физические основы полупроводниковых приборов

Все твердые вещества по своим электрическим свойствам разделяют на проводники, полупроводники и диэлектрики. Полупроводники занимают по электропроводности промежуточное положение между металлами (проводниками электрического тока) и диэлектриками.Удельное электрическое сопротивление проводников составляет ρ = 10-4 Ом ∙ см, полупроводников – ρ = 10-4 – 1010 Ом ∙ см, диэлектриков – ρ = 1010 Ом ∙ см и выше. Для изготовления полупроводниковых приборов в настоящее время используют помимо германия и кремния некоторые химические соединения, например арсенид галлия, окись титана, антимонид индия, фосфид индия и др. Наиболее широко применяют кремний и германий.

Германий и кремний – элементы четвертой группы периодической системы Д.И. Менделеева, т.е. являются четырехвалентными элементами. В валентной зоне каждого атома германия и кремния имеется по четыре валентных электрона.Германий и кремний имеют атомные кристаллические решетки.

Связь между атомами в таких решетках парноэлектронная или ковалентная. Каждый атом в них связан с соседним двумя электронами – по одному от каждого атома. Схематическое изображение кристалла германия на плоскости показано на рис.1. Каждый атом в монокристалле германия окружен четырьмя соседними атомами, с которыми он связан парноэлектронными связями. В результате валентная оболочка каждого атома имеет восемь электронов, т. е. оказывается полностью заполненной.В таком кристалле все валентные электроны связаны между собой прочными парноэлектронными связями.

Свободных электронов, которые могли бы участвовать в переносе зарядов, нет. Чистые полупроводники при нуле абсолютной температуры (Т = 0ºК) являются идеальными диэлектриками. Однако в нормальных условиях, при комнатной температуре, некоторые валентные электроны кристаллической решетки получают энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи, т. е. для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости.

Вследствие разрыва одной парноэлектронной связи образуются два носителя заряда: электрон и дырка. Рисунок 1 Электрон, как известно, является носителем элементарного отрицательного заряда. При разрыве парноэлектронной связи электрон отрывается от атома, после чего одна связь в атоме оказывается незаполненной – свободной. Незаполненная электронная связь в кристаллической решетке полупроводника называется дыркой.Дырка обладает положительным зарядом, по абсолютной величине равным заряду электрона, и, следовательно, является носителем положительного заряда.

Дырка может быть заполнена электроном, оторвавшимся от соседнего атома. Процесс заполнения электроном дырки называется рекомбинацией. При этом в соседнем атоме на месте ушедшего электрона образуется новая дырка. В обычных условиях, т. е. при комнатной температуре, процесс возникновения пары электрон – дырка и рекомбинация происходят непрерывно.В результате устанавливается динамическое равновесие, при котором в чистом полупроводнике концентрация электронов равна концентрации дырок.

Наличие носителей зарядов в полупроводнике объясняет его проводимость. Проводимость чистого полупроводника, обусловленная электронами и дырками, возникающими только в результате разрыва парноэлектронных связей, называется собственной проводимостью. При отсутствии внешнего электрического поля электроны и дырки перемещаются в объеме полупроводника беспорядочно.Если же к полупроводнику приложить напряжение, то в нем возникает упорядоченное движение электронов в одном направлении и дырок в другом – противоположном направлении. Через полупроводник протекает ток, который равен сумме токов электронного In и дырочного Ip, т. е. I = In + Ip. (1.1) Ток, протекающий в полупроводнике при равновесной концентрации носителей зарядов (электронов и дырок), называется дрейфовым током или током проводимости.

Плотность дрейфового тока определяет удельную электропроводность полупроводников σ. Так, для германия удельная электропроводность σGe = 2 ∙ 10-2 Ом-1 ∙ см-1, а для кремния σSi = 4 ∙ 10-6 Ом-1 ∙ см-1, т. е. σGe >> σSi. С повышением температуры удельная электропроводность увеличивается по экспоненциальному закону.

Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником или полупроводником і- типа. Он обладает собственной электропроводностью, которая, как было показано, складывается из электронной и дырочной электропроводности.

Если в полупроводнике имеются примеси других веществ, то дополнительно к собственной электропроводности появляется еще примесная электропроводность, которая в зависимости от рода примеси может быть электронной или дырочной.Для получения полупроводника с электронной электропроводностью в чистый полупроводник – германий или кремний – вводят небольшое количество элемента пятой группы периодической системы элементов: сурьмы (Sb), мышьяка (As), фосфора (P). Их атомы взаимодействуют с атомами германия только четырьмя своими электронами (рис. 2) образуя прочные парноэлектронные связи с четырьмя соседними атомами германия.

Пятый валентный электрон, например атома мышьяка, в образовании парноэлектронной связи не участвует.Поэтому он оказывается слабо связанным со своим атомом и может быть легко оторван от него. В результате он превращается в свободный электрон, который может свободно перемещаться в объеме полупроводника, создавая электронную проводимость.

Атом мышьяка, потерявший один электрон, превращается в положительный ион, который оказывается неподвижным, так как он прочно удерживается в узле кристаллической решетки парноэлектронными связями. Подвижные носители зарядов, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными носителями зарядов. Элементы, атомы которых отдают свои электроны, создавая в полупроводнике избыток свободных электронов, называются донорами.Обычно донорами для германия являются мышьяк и сурьма, а для кремния – фосфор и сурьма.

В полупроводнике с донорными примесями электроны являются основными носителями зарядов, а дырки – не основными. Проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике избыточных свободных электронов, называется электронной проводимостью.Полупроводник, в котором основными носителями зарядов являются электроны, называется электронным полупроводником или полупроводником n- типа. Для получения полупроводника с дырочной электропроводностью в кристалл чистого германия вводят примеси трехвалентных элементов: индий (In) и галлий (Ga) для германия; бор (В) и алюминий (Al) для кремния.

При этом три валентных электрона, например индия, образуют три парноэлектронные связи с соседними атомами германия. В результате теплового движения электрон одного из соседних атомов германия может перейти в незаполненную связь атома индия.В атоме германия появится одна незаполненная связь – дырка (рис. 3). Захваченный атомом индия, четвертый электрон образует парноэлектронную связь и прочно удерживается атомом индия.

Атом индия становится при этом неподвижным отрицательным ионом. Примеси, атомы которых захватывают и прочно удерживают электроны атомов полупроводника, называются акцепторными или акцепторами.Проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике избытка подвижных дырок, т. е. превышением их концентрации над концентрацией электронов, называется дырочной проводимостью или проводимостью р- типа. Основными носителями зарядов в полупроводнике с акцепторной примесью являются дырки, а не основными – электроны.

Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называются дырочными полупроводниками или полупроводниками р- типа.