ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Тема: Электропроводность полупроводников. P-n переход.
Электрический ток в веществе создается перемещением свободных носителей заряда под действием электрического поля. Чем выше концентрация свободных носителей (например, свободных электронов) в веществе, тем выше удельная электрическая проводимость вещества. В проводниках концентрация свободных носителей превышает 1022 см-3 и удельная проводимость проводников составляет
103—106 См/см. Удельная электрическая проводимость диэлектриков не превышает 10-10 См/см, так как в них концентрация свободных носителей заряда ничтожно мала. Полупроводники занимают промежуточное положение. К ним относятся многие химические элементы и соединения. Для производства полупроводниковых приборов применяют германий, кремний, селен, карбид кремния, арсенид галлия и некоторые другие.
Германий и кремний — четырехвалентные элементы. Их кристаллическая решетка состоит из атомов, каждый из которых имеет ковалентные связи с четырьмя соседними. Плоская модель такой решетки представлена на рис. 12.1. Атомы полупроводника изображены в виде больших светлых кружков. Электроны, образующие ковалентные пары, показаны в виде затемненных кружков. При температуре абсолютного нуля (Т = 0 К) и отсутствии внешних воздействий все ковалентные связи заполнены.
Электроны, входящие в ковалентные связи, не могут перемещаться по кристаллу под действием электрического поля. При отсутствии других свободных носителей такой полупроводник не будет проводить электрический ток.
Для того чтобы освободить электроны от ковалентных связей, надо затратить определенную энергию W. Обычно эта энергия выражается в электрон-вольтах (1 эВ = = 1,6* 10-19 Дж). Для германия W составляет 0,78 эВ, а для кремния 1,21 эВ.
Освобождение электронов от связей при нагревании полупроводника называют термогенерацией носителей. Свободный электрон начинает хаотически перемещаться между атомами. Его место в ковалентной связи может занять любой другой электрон, при этом последний оставляет незаполненную связь уже в другом месте, возле другого атома. Эта незаполненная связь тоже хаотически перемещается по кристаллу в результате такого обменного перехода электронов. Для удобства такую связь рассматривают как частицу с положительным зарядом, равным заряду электрона, и называют дыркой. Следовательно, термогенерация приводит к образованию в полупроводнике двух видов свободных носителей заряда — электронов (п) и дырок (р).
Термогенерация носителей при Т > 0 К происходит постоянно. Свободные носители (дырки и электроны) независимо друг от друга перемещаются по кристаллу. Однако время их существования ограничено. В какой-то момент свободный электрон вновь заполняет ковалентную связь. Этот процесс называется рекомбинацией. В результате рекомбинации пара носителей исчезает. Таким образом, в полупроводнике одновременно идут два противоположных процесса: термогенерация и рекомбинация. За счет этого в полупроводнике устанавливается равновесная концентрация электронов и дырок, которая зависит от температуры полупроводника. Так как носители возникают и исчезают парами, то концентрация электронов пi равна концентрации дырок рi.
Такую электропроводность полупроводника называют собственной.
Электроны легче освобождаются от связей в том полупроводнике, у которого W меньше. Так, при комнатной температуре концентрация носителей в германии составляет около 1013 см-3, а в кремнии — 1010 см-3. Соответственно удельное сопротивление германия 50 Ом • см, а кремния — 105 Ом • см.
Тип электропроводности полупроводника можно изменить, вводя в полупроводник примеси. Примеси могут быть донорные и акцепторные.
В качестве донорных примесей используют фосфор, мышьяк, сурьму и другие элементы пятой группы периодической системы. Атомы примеси замещают в кристаллической решетке атомы германия или кремния. На рис. 12.2 показана модель такой решетки. Пятивалентный атом примеси образует четыре ковалентные связи с соседними атомами полупроводника. Пятый валентный электрон связан только с атомом примеси. Энергия такой связи в десятки раз меньше энергии ковалентной связи и составляет около 0,01 эВ.
При температуре Т > 0 К в первую очередь освободятся электроны с меньшей энергией связи, т. е. электроны доноров. Уже при комнатной температуре все атомы доноров потеряют свои электроны и превратятся в положительные ионы. При этом процессе ковалентные связи остаются заполненными, т. е. дырок не образуется. Такой полупроводник называют полупроводником типа п или полупроводником с электронной электропроводностью. Концентрацию электронов в нем обозначают пn, а дырок рn:
пn 
рn
Относительно небольшое количество дырок получается за счет ионизации атомов самого полупроводника. Электроны в n-полупроводнике называют основными носителями, а дырки — неосновными.
К акцепторным примесям относятся трехвалентные элементы, такие как бор, индий, алюминий. Модель кристаллической решетки полупроводника с атомом индия в качестве примеси показана на рис. 12.3. Три валентных электрона атома примеси заняты в трех ковалентных связях с атомами полупроводника. Четвертая связь незаполнена. Ее может заполнить любой электрон из соседней связи. Атом примеси превращается в отрицательный ион (у него теперь на один электрон больше, чем нужно), а рядом образуется дырка.
Так как при таком процессе все электроны остаются связанными, то
рn пn
Полупроводник с акцепторной примесью называют полупроводником типа р или полупроводником с дырочной электропроводностью. Дырки в нем являются основными носителями.
В примесных полупроводниках тип электропроводности определяется концентрацией примеси только до определенной температуры. Концентрация примесей в полупроводниках составляет 10-5—10-7 %. При комнатной температуре почти все атомы примесей ионизированы. При повышении температуры начинается термогенерация носителей за счет собственных атомов, при которой образуется равное число дырок и электронов. Когда собственных атомов будет ионизировано значительно больше, чем было атомов примеси, то концентрации электронов и дырок практически будут равны. Полупроводник перейдет в состояние собственной электропроводности. Примеси перестанут оказывать влияние на концентрацию носителей. При этом нарушается нормальная работа многих полупроводниковых приборов. Поэтому для них вводится предельная температура. Чем больше энергия связи полупроводника, тем предельная температура выше. Так, для германия она составляет 75 °С, а для кремния — 125 °С.
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Электронно-дырочным или р—n-переходом называют переходный слой у границы раздела двух областей полупроводника с различным типом электропроводности. Он составляет основу многих полупроводниковых приборов.
Модель р—n-перехода показана на рис. 12.4, а. Ионы примесей изображены квадратиками, а электроны и дырки — соответственно темными и светлыми кружками.
В области р основными носителями являются дырки, а ионизированные атомы примесей представляют собой отрицательные ионы. В равновесном состоянии эта область электрически нейтральна, так как концентрация дырок равна концентрации ионов. В области п основные носители — электроны, а атомы доноров — положительные ионы. Эта область также нейтральна. При возникновении контакта между такими областями носители стремятся равномерно распределиться по всему объему. Начинается диффузия дырок из области р в область п и электронов в обратном направлении. Дырки и электроны подходят к границе раздела областей и здесь рекомбинируют. Так как часть дырок и электронов исчезает, то соответствующее число ионов примесей оказывается нескомпенсированным. Здесь возникают избыточные объемные заряды (рис. 12.4,6).
Из области р ушли дырки и остались нескомпенсированные отрицательные ионы примесей, поэтому здесь образуется отрицательный объемный разряд — Q. По этой же причине в области п у границы раздела создается положительный объемный заряд + Q. Между объемными зарядами возникает электрическое поле, вектор напряженности которого Еq направлен из области п в область р.
В установившемся состоянии поле объемных зарядов полностью затормозит диффузию. В результате этого возникает зона с низкой концентрацией носителей, в которой существует электрическое поле. Эта зона и есть р –n -переход. Ширина р-n -перехода составляет около 0,1 — 1 мкм и зависит от концентрации примесей в полупроводниках. Разность потенциалов между р-областью и n-областью полупроводника для германия — 0,3—0,4 В.
При включении кристалла полупроводника с р-n - переходом в электрическую цепь состояние перехода меняется.
При подключении источника питания положительным полюсом к области р, а отрицательным — к области n электрическое поле, создаваемое источником, направлено против поля объемных зарядов. Основные носители начнут двигаться к переходу и через переход потечет электрический ток. Так как концентрация основных носителей велика, то даже при небольшом напряжении ток будет значительным. Такое включение р-n -перехода называют прямым, а состояние перехода — открытым.
Если поменять полярность источника питания, то его поле будет направлено согласно с полем объемных зарядов. Под действием суммарного электрического поля основные носители отойдут от перехода. Зона объемных зарядов станет шире. В этом случае включение р-n -перехода называют обратным. Через переход могут проходить только неосновные носители, а так как их концентрация на много порядков ниже, чем основных, то и обратный ток на несколько порядков меньше прямого.
Такое состояние перехода называется закрытым.
Зависимость тока через переход от приложенного напряжения называют вольт-амперной характеристикой (ВАХ) перехода. Ее общий вид показан на рис. 12.6. Часть характеристики Inp — f(Unp) называют прямой ветвью. Она соответствует прямому включению перехода. Обратная ветвь характеристики Iобр = f(Uобр) соответствует закрытому состоянию перехода. Обратный ток создается неосновными носителями, а их концентрация в полупроводнике ограничена. Поэтому уже при малых напряжениях наступает насыщение, т. е. все носители участвуют в создании тока. Концентрация неосновных носителей заряда зависит от температуры. С увеличением температуры на каждые 10° обратный ток увеличивается для германия в 2 раза, а для кремния — в 2,5 раза.
Концентрация неосновных носителей заряда зависит от энергии связей электронов с атомами самого полупроводника. У германия эта энергия значительно меньше, чем у кремния. Поэтому концентрация неосновных носителей в германии будет значительно выше и обратный ток почти на порядок больше, чем в кремнии.
Если Uобр постепенно повышать, то при определенном значении напряжения обратный ток через переход резко увеличивается — происходит пробой перехода. Можно выделить два основных вида пробоя: электрический и тепловой. При электрическом пробое напряжение на переходе поддерживается почти постоянным. При отключении перехода от источника его свойства восстанавливаются. При тепловом пробое область р-n -перехода разогревается и переход разрушается. Электрический пробой может существовать длительно, если не перейдет в тепловой.
При повышении температуры окружающей среды ухудшается теплоотвод и напряжение теплового пробоя уменьшится. Поэтому полупроводниковые приборы монтируются на радиаторах, имеющих большую поверхность охлаждения.