3.2. Полупроводниковые материалы
К полупроводникам относятся вещества с электронной проводимостью, которых при нормальной температуре находится между значениями проводников и диэлектриков. Основной особенностью полупроводников является сильная чувствительность их свойств к внешним воздействиям (температуре, электромагнитным и ионизирующим излучениям, электромагнитным полям, давлению) и содержанию примесей. Как и диэлектрики, они имеют отрицательный температурный коэффициент .
3.2.1. Свойства полупроводниковых материалов
Свойства полупроводников определяются особенностями их зонного строения. Как и у диэлектриков, зона валентных электронов и электронов проводимости у них разделены запрещенной зоной, ширина которой от 0,2 до 5 эВ (рис.3.2а). Электропроводность определяется свободными электронами (-) и дырками (+), которые образуются при переходе валентных электронов в зону проводимости или ионизации примесей. В зависимости от степени чистоты полупроводники бывают собственными и примесными.
В собственных полупроводниках влиянием примеси на свойства можно пренебречь. Свободные электроны и дырки образуются за счет прямых переходов зона-зона (рис.3.2б). В равновесных условиях (генерация равна рекомбинации)
или
+
=
2
Рис.3.2. Зонная структура (а) и собственные носители (б) в полупроводниках
В примесных полупроводниках электрофизические свойства определяются примесями, которые создают дополнительные уровни в запрещенной зоне. Наибольшее практическое значение, имеют донорные и акцепторные примеси. Уровни первых располагаются у дна зоны проводимости и при ионизации они отдают в нее свои электроны так, что n >> p (рис.3.3.а). Акцепторные уровни находятся у потолка валентной зоны и они ионизируются, захватывая электроны из этой зоны так, что p >> n (рис.3.3б).
а) |
б) |
Рис.3.3. Формирование проводимости донорного (а) и акцепторного (б) типа
Носители заряда, концентрация которых в полупроводнике больше, называются основными. Т.е., в донорном полупроводнике основными носителями являются электроны, а неосновными – дырки, в акцепторном – наоборот.
Температурная зависимость концентрации носителей заряда для различных уровней легирования (ND1<ND2<ND3) приведена на рис.3.4.
Рис.3.4. Зависимость концентрации носителей заряда от температуры при различном содержании донорной примеси
На участке 1-2 происходит ионизация примеси, его наклон характеризует энергию ее ионизации, участок 3 – область истощения (полной ионизации) примесей, когда концентрация носителей практически равна концентрации доноров, 1 – область собственной проводимости, наклон этого участка соответствует ширине запрещенной зоны полупроводника.
Отношение средней скорости дрейфа носителей заряда к напряженности вызвавшего ее поля называют подвижностью носителей заряда.
,
С учетом того, что подвижности электронов и дырок разные, удельная электропроводность полупроводника:
,
где n0, p0 – равновесные концентрации электронов и дырок. - определяется эффективной массой носителей заряда и их рассеянием. Различают рассеяние на тепловых колебаниях атомов и ионов (фононное), примесях (нейтральных и ионизированных), дефектах структуры (вакансии, междоузельные атомы, дислокации и т.п.). Каждый из механизмов имеет свои закономерности и зависимость от температуры.
Температурная зависимость электропроводности является следствием аналогичных зависимостей концентрации и подвижности носителей. В высокотемпературной области она изменяется, как и концентрация, по экспотенциальному закону, а при температурах, соответствующих истощению примесей обусловлена температурной зависимостью подвижности.
При любой Т > 0К за счет теплового возбуждения в полупроводнике генерируются носители заряда. Одновременно протекает встречный процесс их рекомбинации. Когда между ними установится равновесие, мы говорим о равновесной концентрации носителей.
Однако генерация возможна при возбуждении носителей электромагнитным и ионизирующим излучением, электрическим полем и др. Как следствие, появляются дополнительные, неравновесные носители заряда. Рекомбинационные процессы после снятия возбуждения приводят полупроводник в равновесное состояние.
а) б) в)
Рис.3.5. Механизмы рекомбинации (сплошные стрелки) и генерации (пунктир):
а – межзонный или прямой; б, в – с участием рекомбинационных ловушек и
ловушек захвата (прилипания)
Различают несколько механизмов рекомбинации (рис.3.5), но во всех случаях, избыточная энергия, которая при этом освобождается, излучается либо в виде фотона (излучательная), либо безизлучательным путем передается кристаллической решетке в виде теплоты (фононов). Последний механизм преобладает в большинстве полупроводников. Но в арсениде галлия и др. родственных ему полупроводниковых соединениях при определенном легировании и условиях возбуждения доля излучательной рекомбинации может достигать 80%. Благодаря этому их широко используют для изготовления оптоэлектронных приборов (полупроводниковые лазеры, излучательные светодиоды и т.п.).
Одной из основных характеристик процесса рекомбинации является время жизни носителей заряда – отношение избыточной концентрации неравновесных носителей к скорости изменения этой концентрации вследствие рекомбинации
Считая, что возбуждение не приводит к значительному изменению концентрации носителей заряда и рекомбинация носит линейный характер, интегрированием получаем, определяющее изменение со временем избыточной концентрации носителей заряда после отключения источника возбуждения
,
где Δno – их начальная избыточная концентрация (при t = 0). Время жизни определяется типом и количеством рекомбинационных центров, т.е. очень чувствительно к чистоте и структурному совершенству полупроводника.
К оптическим и фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках относятся:
1. Поглощение света, для которого характерно несколько механизмов. Так, собственное поглощение обусловлено переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости, примесное – ионизацией примесных атомов. Поглощают свет также решетка, сами носители заряда, экситоны и т.п.
2. Фотопроводимость – изменение электропроводности – связана с генерацией под действием электромагнитного излучения избыточных носителей заряда.
3. Люминесценция – нетепловое электромагнитное излучение, вызываемое возбуждением полупроводника светом, электронным лучом, электрическим полем.
Для полупроводников характерен ряд термогальваномагнитных явлений. Они наблюдаются при совместном воздействии на материал электрического, магнитного и теплового (gradT) полей. Наибольшее практическое применение имеют эффекты Холла, Пельтье, Зеебека, Риги-Ледюка.
В сильных электрических полях наблюдается изменение зонной структуры полупроводника, отступления от закона Ома из-за изменения концентрации носителей заряда и их подвижности и др. Важное практическое значение имеет эффект Ганна – появление высокочастотных колебаний тока при воздействии на полупроводник постоянного электрического поля высокой напряженности. Он наблюдается в полупроводниках с определенной структурой зоны проводимости (GaAs, InP и др.), когда в различных ее минимумах эффективные массы электронов существенно различаются.