Полупроводник

Литература

• Тауц Я. Фото- и термоэлектрические явления в полупроводниках. М.: Издательство иностранной литературы, 1962, 256 с.
• Тауц Я. Оптические свойства полупроводников. М.: Мир, 1967, 74 с.
• Киреев П. С. Физика полупроводников. — М., Высшая школа, 1975. — Тираж 30000 экз. — 584 с.
• Горелик С. С., Дашевский В. Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. — М., Металлургия, 1988. — 574 с.
• Киселев В. Ф. Поверхностные явления в полупроводниках и диэлектриках. — М., Наука, 1970. — Тираж 7800 экз. — 399 с.
• Анатычук Л. И., Булат Л. П. Полупроводники в экстремальных температурных условиях. — СПб., Наука, 2001. — Тираж 1500 экз. — 223 с.

Примесная и собственная проводимость полупроводников

Чистые полупроводниковые кристаллы имеют собственную проводимость. Такие полупроводники именуются собственными. Собственный полупроводник содержит равное число дырок и свободных электронов. При нагреве собственная проводимость полупроводников возрастает. При постоянной температуре возникает состояние динамического равновесия количества образующихся электронно-дырочных пар и количества рекомбинирующих электронов и дырок, которые остаются постоянными при данных условиях.

Наличие примесей оказывает значительное влияние на электропроводность полупроводников. Добавление их позволяет намного увеличить количество свободных электронов при небольшом числе дырок и увеличить количество дырок при небольшом числе электронов на уровне проводимости.

Примесные полупроводники – это проводники, обладающие примесной проводимостью. Примеси, которые с лёгкостью отдают электроны, называются донорными. Донорными примесями могут быть химические элементы с атомами, валентные уровни которых содержат большее количество электронов, чем атомы базового вещества. Например, фосфор и висмут – это донорные примеси кремния.

Энергия, необходимая для прыжка электрона в область проводимости, носит название энергии активизации. Примесным полупроводникам необходимо намного меньше ее, чем основному веществу. При небольшом нагреве либо освещении освобождаются преимущественно электроны атомов примесных полупроводников. Место покинувшего атом электрона занимает дырка. Но рекомбинации электронов в дырки практически не происходит. Дырочная проводимость донора незначительна. Это происходит потому, что малое количество атомов примеси не позволяет свободным электронам часто приближаться к дырке и занимать её. Электроны находятся около дырок, но не способны их заполнить по причине недостаточного энергетического уровня.

  Типы полупроводников, собственная проводимость

Незначительная добавка донорной примеси на несколько порядков увеличивает число электронов проводимости по сравнению с количеством свободных электронов в собственном полупроводнике. Электроны здесь – основные переносчики зарядов атомов примесных полупроводников. Эти вещества относят к полупроводникам n-типа.

Примеси, которые связывают электроны полупроводника, увеличивая в нём количество дырок, называют акцепторными. Акцепторными примесями служат химические элементы с меньшим числом электронов на валентном уровне, чем у базового полупроводника. Бор, галлий, индий – акцепторные примеси для кремния.

Электронно-дырочная проводимость.

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Электронная проводимость.

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов. Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи.

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Дырочная проводимость.

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

На этом давайте остановимся, а в следующей части рассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.
Удачи!

1. Борисов В.Г. — Юный радиолюбитель. 1985г.2. Сайт academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

Собственная плотность

При термодинамическом равновесии, концентрация электронов полупроводника связана с температурой следующим соотношением:

n¯=2h3(2πmkT)32e−EC−EFkT{\displaystyle {\bar {n}}={\frac {2}{h^{3}}}(2\pi mkT)^{3/2}e^{-{\frac {E_{C}-E_{F}}{kT}}}}

где:

h{\displaystyle h} — Постоянная Планка;

m{\displaystyle m} — масса электрона;

T{\displaystyle T} — абсолютная температура;

EC{\displaystyle E_{C}} — уровень зоны проводимости;

EF{\displaystyle E_{F}} — уровень Ферми.

Также, концентрация дырок полупроводника связана с температурой следующим соотношением:

p¯=2h3(2πmkT)32e−EF−EVkT{\displaystyle {\bar {p}}={\frac {2}{h^{3}}}(2\pi mkT)^{3/2}e^{-{\frac {E_{F}-E_{V}}{kT}}}}

где:

h{\displaystyle h} — Постоянная Планка.

m{\displaystyle m} — эффективная масса дырки;

T{\displaystyle T} — абсолютная температура;

EF{\displaystyle E_{F}} — уровень Ферми;

EV{\displaystyle E_{V}} — уровень валентной зоны.

Собственная концентрация ni{\displaystyle n_{i}} связана с n¯{\displaystyle {\bar {n}}} и p¯{\displaystyle {\bar {p}}} следующим соотношением:

n¯p¯=ni2{\displaystyle {\bar {n}}{\bar {p}}=n_{i}^{2}}

Энергетические зоны внешних полупроводников

В внешних полупроводниках изменение температуры окружающей среды приводит к образованию неосновных носителей заряда. Кроме того, атомы легирующей примеси являются основными носителями. Во время рекомбинации большинство носителей уничтожают большинство этих неосновных носителей. Это приводит к снижению концентрации неосновных носителей.

Следовательно, это влияет на структуру энергетической зоны полупроводника. В таких полупроводниках существуют дополнительные энергетические состояния:

• Энергетическое состояние за счет донорной примеси (E_D)
• Энергетическое состояние за счет акцепторной примеси (E_A)

Приведенная выше диаграмма энергетических зон относится к полупроводнику Si n-типа. Здесь вы можете видеть, что уровень энергии донора (E_D) ниже, чем у зоны проводимости (E_C). Следовательно, электроны могут перемещаться в зону проводимости с минимальной энергией (~ 0,01 эВ). Кроме того, при комнатной температуре большинство донорных атомов и очень мало атомов Si ионизируются. Следовательно, в зоне проводимости больше всего электронов от донорных примесей.

Приведенная выше диаграмма энергетических зон представляет собой полупроводник Si-типа p-типа. Здесь вы можете видеть, что уровень энергии акцептора (E_A) выше, чем у валентной зоны (E_V). Следовательно, электроны могут перемещаться из валентной зоны на уровень Ea с минимальной энергией. Также при комнатной температуре большинство акцепторных атомов ионизируются.

Это оставляет дыры в валентной зоне. Следовательно, валентная зона имеет большинство дырок от примесей. Концентрация электронов и дырок в полупроводнике в тепловом равновесии составляет:

n _e × n _h = n _i 2

Использование в радиотехнике

Полупроводниковый диод

Схема полупроводникового кремниевого диода. Ниже приведено его символическое изображение на электрических принципиальных схемах.

Основная статья: Диод

Полупроводниковый диод состоит из двух типов полупроводников — дырочного и электронного. В процессе контакта между этими областями из области с полупроводником n-типа в область с полупроводником p-типа проходят электроны, которые затем рекомбинируют с дырками. Вследствие этого возникает электрическое поле между двумя областями, что устанавливает предел деления полупроводников — так называемый p-n переход. В результате в области с полупроводником p-типа возникает некомпенсированный заряд из отрицательных ионов, а в области с полупроводником n-типа возникает некомпенсированный заряд из положительных ионов. Разница между потенциалами достигает 0,3-0,6 В.

Связь между разницей потенциалов и концентрацией примесей выражается следующей формулой:

φ=VTln⁡(NnNpni2){\displaystyle \varphi =V_{\rm {T}}\ln \left({\frac {N_{\rm {n}}N_{\rm {p}}}{n_{\rm {i}}^{2}}}\right)}

где VT{\displaystyle V_{\rm {T}}} — термодинамическое напряжение, Nn{\displaystyle N_{\rm {n}}} — концентрация электронов, Np{\displaystyle N_{\rm {p}}} — концентрация дырок, ni{\displaystyle n_{\rm {i}}} — собственная концентрация.

В процессе подачи напряжения плюсом на p-полупроводник и минусом на n-полупроводник внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего электрического поля p-n перехода и при достаточном напряжении электроны преодолеют p-n переход, и в цепи диода появится электрический ток (прямая проводимость, диод пропускает максимальный электрический ток).При подаче напряжения минусом на область с полупроводником p-типа и плюсом на область с полупроводником n-типа между двумя областями возникает область, которая не имеет свободных носителей электрического тока (обратная проводимость, диод сопротивляется пропусканию электрического тока). Обратный ток полупроводникового диода близок к нулю, но не равен нулю, так как в обоих областях всегда есть неосновные носители заряда. Для этих носителей p-n переход будет открыт.

Таким образом, p-n переход проявляет свойства односторонней проводимости, что обуславливается подачей напряжения с различной полярностью. Это свойство используют для выпрямления переменного тока.

Транзистор

Структура биполярного n-p-n транзистора.

Основная статья: Транзистор

Транзистор — полупроводниковое устройство, которое состоит из двух областей с полупроводниками p- или n-типа, между которыми находится область с полупроводником n- или p-типа. Таким образом, в транзисторе есть две области p-n перехода.

Основные разновидности

Кабели и провода разделяются по их назначению. Первыми созданными изделиями были те, что использовались для доставки электрической энергии конечному потребителю. Они называются силовыми. Затем эксперименты показали, что передавать электричество лучше в виде переменного тока. Чем выше напряжение, тем меньше энергии терялось в процессе транспортировки, поэтому начали искать оптимальные значения. В итоге силовые электрокабели стали подразделять на:

1. Провода, по которым подаётся электрический ток от электростанций в населённые пункты. Напряжение составляет 20−150 кВт.
2. Эл. кабели, приносящие энергию к потребителю (110−380 Вт).

Когда произошло развитие телефонии, были изобретены и отдельные виды проводов. Для функционирования телефона не требуется большое напряжение, поэтому применять силовые линии нерационально. Также для подключения к связи большого количества домов необходимы провода, количество жил в которых было бы соответствующим.

После того как появилось радио и телевидение потребовались совершенно другие специальные кабели, которые соединяли устройство воспроизведения с антенной. Главным отличием их от других является наличие экранирования. Если оно отсутствует, сигнал получается слабым и искажённым.

С появлением компьютеров возникла необходимость соединять их в одну большую сеть. Для этого понадобились новые типы проводов. Сначала применялись телефонные линии, но они не могли обеспечить требуемую скорость обмена данными. Прорывом в этой сфере можно считать появление оптоволокна, позволяющего передавать информацию с большой скоростью без потерь. Чтобы создать местные сети, стали применять кабели по типу «витая пара».

Использование в радиотехнике

Каждый специалист, техник, обладающий познаниями в электронике, знает, что абсолютно вся современная электроника основана на применении полупроводниковых элементов. Любой аналоговый или цифровой (дискретный) прибор имеет в своей основе схемы, построенные с применением диодов и транзисторов.

Полупроводниковый диод

Одно из первых устройств, использующих свойства полупроводимости, – это полупроводниковый диод. Конструкция заключается в соединении пары полупроводников с разными типами проводимости.

В результате физических процессов движения электронов и дырок на границе веществ возникает электрическое поле, и образуется так называемый p-n переход.

P-n переход

P-n переход обладает свойством односторонней проводимости, то есть ток через диод возникает только при подключении p-области (анода) к полюсу источника напряжения, а n-области (катода) – к минусу.

Вольт-амперная характеристика диода

В обратной полярности ток также имеется, но его величина, по сравнению с прямым, намного меньше. Стабилитрон – вид диода, основная область его работы находится на обратной ветви характеристики. Параметр p-n перехода подобран таким образом, что в узкой области обратного тока напряжение на стабилитроне практически не меняется.

Первый диод – детектор, использовался еще в то время, когда теория полупроводников находилась в зачаточном состоянии.

Разнообразные диоды

Транзистор

Транзистор, или, как раннее его называли, триод, имеет две области из материала с одинаковой проводимостью и тонкую область полупроводника с другой. Принцип работы транзистора заключается в том, что малый ток в тонкой области, называемой базой, может управлять гораздо большим током через другие области, соответственно, коллектор и эмиттер.

В зависимости от схемы включения, транзистор может иметь различное назначение: как усилительный, генераторный и преобразовательный полупроводниковый элемент.

Применение полупроводников не ограничивается вышеперечисленными областями. Существуют изделия с тремя и более p-n переходами или вообще без них. Варистор – резистор с сопротивлением, зависящим от величины протекающего тока, тоже полупроводниковый элемент.

Виды транзисторов

3.3. Примесные полупроводники

Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники

Поэтому в практике важное значение имеют такие полупроводниковые материалы, у которых ощутимая концентрация собственных носителей заряда наблюдается при достаточно высокой температуре, т.е. с большой шириной запрещенной зоны

Поставщиками свободных носителей зарядов в рабочем интервале температур в таких ПП являются примеси.

Примесями в простых полупроводниках являются чужеродные атомы. В химических же соединениях это не только чужеродные атомы, но и атомы тех самых элементов, избыточные по стехиометрическому составу. Кроме того, роль примесей играют дефекты кристаллической решетки.

Рассмотрим роль примесей, атомы которых создают дискретные энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника.

3.3.1. Донорные примеси

Если в кристаллическую решетку IV валентного элемента ввести атом элемента с валентностью V, то четыре электрона на его внешней оболочке свяжутся с четырьмя атомами IV валентного элемента, а один электрон становится избыточным, слабосвязанным со своим атомом. Он под вличнием тепловой энергии начнет свободно блуждать по полупроводнику, а под воздействием электрического поля он станет направленно перемещаться (электропроводность типа n ), а атом, отдавший электрон, будет неподвижно находиться в данном месте решетки полупроводника.

Рис. 3.2 Схематическое изображение кристаллической решетки Ge с донорной примесью мышьяка.

С точки зрения энергетических диаграмм донорные примеси образуют заполненные энергетические уровни в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. При этом энергия активации примесных атомов меньше ширины запрещенной зоны, поэтому при нагреве тела переброс электронов примеси будет опережать возбуждение электронов решетки.

Рис. 3.3. Энергетическая диаграмма донорного полупроводника.

3.3.2. Акцепторные примеси

Если в решетку IV валентного полупроводника ввести III элемент, например, бор, то он установит три ковалентные связи с атомами германия, для связи с четвертым атомом германия у атома бора нет электрона. Таким образом, у нескольких атомов германия будет по одному электрону без ковалентной связи. Достаточно теперь небольших внешних воздействий, чтобы эти электроны покинули свои места, образовав дырки у атомов германия. Освободившиеся электроны, захваченные атомами бора, не могут создать электрический ток. А дырки у атомов германия позволяют электронам с соседних атомов перейти на них, освобождая другие дырки. Т.о., положительно заряженная дырка будет перемещаться по кристаллу, а под действием поля возникает примесный дырочный ток.

Рис. 3.4. Схематическое изображение кристаллической решетки Ge с акцепторной примесью In.

С точки зрения зонной теории, акцепторная примесь образует незаполненные энергетические уровни в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны. Тепловое возбуждение будет в первую очередь перебрасывать электроны из валентной зоны на эти энергетические уровни. Ввиду разобщенности атомов примеси, электроны, заброшенные на примесные уровни, не участвуют в образовании электрического тока. Такой полупроводник будет иметь концентрацию дырок, большую концентрации электронов, перешедших из валентной зоны в зону проводимости. И его относят к полупроводнику p-типа.

Рис. 3.5. Энергетическая диаграмма акцепторного полупроводника.

3.3.3. Основные и неосновные носители зарядов

Те носители, концентрация которых в данном полупроводнике больше, носят название основных, а те, которых меньше – неосновных. Так, в полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями зарядов, а дырки – неосновными (n_n и p_n соответственно). Концентрация свободных электронов в зоне проводимости может быть различной. В большинстве случаев используются слаболегированные полупроводники; электроны в этом случае заполняют незначительную часть уровней в зоне проводимости. Такое состояние называют невырожденным. В полупроводнике p-типа основные носители – дырки (p_p), а неосновные – электроны (n_p). Примесная электропроводность для своего появления требует меньших энергетических воздействий (сотые или десятые доли электронвольта), чем собственная, поэтому она обнаруживается при более низкой температуре, чем собственная электропроводность полупроводника. В примесном полупроводнике при данной температуре справедливо соотношение:

p·n = n_i2 (3.5)

При нормальной температуре можно считать, что все примеси ионизированы. Тогда, например, в электронном полупроводнике концентрация основных носителей:

n_n » N_д, а p_n » n_i2/N_д

а в дырочном:

p_p » N_a, a n_p » n_i2/N_a.

Методы получения

Свойства полупроводников зависят от способа получения, так как различные примеси в процессе роста могут изменить их. Наиболее дешёвый способ промышленного получения монокристаллического технологического кремния — метод Чохральского. Для очистки технологического кремния используют также метод зонной плавки.

Для получения монокристаллов полупроводников используют различные методы физического и химического осаждения. Наиболее прецизионный и дорогой инструмент в руках технологов для роста монокристаллических плёнок — установки молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющей выращивать кристалл с точностью до монослоя.

Виды полупроводников

По характеру проводимости

Собственная проводимость

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:

σ=1ρ=q(Nnμn+Npμp){\displaystyle \sigma ={\frac {1}{\rho }}=q(N_{\rm {n}}\mu _{\rm {n}}+N_{\rm {p}}\mu _{\rm {p}})}

где ρ{\displaystyle \rho } — удельное сопротивление, μn{\displaystyle \mu _{\rm {n}}} — подвижность электронов, μp{\displaystyle \mu _{\rm {p}}} — подвижность дырок, Nn,p{\displaystyle N_{n,p}} — их концентрация, q — элементарный электрический заряд (1,602·10−19 Кл).

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула принимает вид:

σ=1ρ=qN(μn+μp){\displaystyle \sigma ={\frac {1}{\rho }}=qN(\mu _{\rm {n}}+\mu _{\rm {p}})}

Примесная проводимость

Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)

Полупроводник n-типа

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

σ≈qNnμn{\displaystyle \sigma \approx qN_{\rm {n}}\mu _{\rm {n}}}

Дырочные полупроводники (р-типа)

Полупроводник p-типа

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.

Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

σ≈qNpμp{\displaystyle \sigma \approx qN_{\rm {p}}\mu _{\rm {p}}}