1. Напівпровідникові матеріали План викладу матеріалу розділу

1	Провідність напівпровідників
2	p-n перехід
3	Залежність параметрів напівпровідників від зовнішнього впливу
4	Технології отримання напівпровідників

Напівпровідники – речовини, електропровідність яких при кімнатній температурі має проміжне значення між електропровідністю металів (10⁶ – 10⁴ Ом· см ^-1) і діелектриків (10^-10– 10^-12 Ом·см^-1). Основною властивістю напівпровідників є сильна залежність електропровідності від дії зовнішніх факторів.

Властивості кристалів і перш за все|передусім| зв'язок атомів в кристалі визначаються зовнішніми (валентними) електронами. Відомо, що найбільшою стабільністю володіють речовини, атоми яких мають замкнуту зовнішню електронну оболонку (вісім валентних електронів). У|біля| найбільш поширених| напівпровідникових матеріалів кремнію і германію в зовнішній оболонці 4 електрони|, так що для її заповнення не вистачає 4-х електронів. Для створення|створіння| замкнутої оболонки| кожен атом в цих кристалах утворює ковалентні зв'язки зі|із| своїми чотирма сусідами. При такому зв'язку відбувається|походить| попарне усуспільнення електронів між парою сусідніх атомів. Схематично ковалентний зв'язок у германію виглядає наступним| чином (рис.1):

Рис.1. Ковалентний зв’язок у германію. а-ділянка кристалічної гратки германію,

б-ділянка гратки з вільним електроном

і вакансією (діркою).

При температурі абсолютного нуля|нуль-індикатора| всі електрони утримуються|стримуються| у вказаних зв'язках і жоден з них не може брати участь в створенні|створінні| струму|току| провідності. Іншими словами напівпровідник поводиться як ідеальний ізолятор. Із|із| зростанням|зростом| температури теплова енергія розриває деякі із зв'язків, у результаті| чого з'являються|появляються| вільні електрони здатні|здібні| під дією електричного поля створювати струм|тік| провідності. На місці електрона, що пішов, залишається незаповнений зв'язок (вакансія), що отримав|одержував| назву дірки. На рис.1б показана ділянка кристалічної| гратки германію з|із| вільним електроном і вакансією, що утворилася (діркою). На місці|місце-милю| вакансії, що з'явилася|появлялася|, може перейти електрон з|із| сусіднього зв'язку і залишити за собою іншу вакансію. В результаті відбувається|походить| рух вакантного зв'язку в напрямку| протилежному руху електронів. Якщо до напівпровідника прикладено електричне| поле, то вакантний зв'язок (дірка) переміщається так, як ніби вона має додатній заряд.

Власним напівпровідником, або ж напівпровідником i-типу називається ідеально хімічно чистий напівпровідник з однорідною кристалічною решіткою. У власному напівпровіднику у вузлах кристалічної решітки розташовуються тільки|лише| атоми початкової|вихідної| речовини (наприклад, кремнію), а атоми домішок|нечистот| відсутні|. У таких напівпровідниках електрони і дірки утворюються одночасно, тобто генеруються електронно-діркові пари, наприклад, за рахунок термогенерації| або під впливом світла. Отже, їх концентрації рівні. Провідність напівпровідника за рахунок власних носіїв заряду називається власною провідністю провідника.|біля| |

Для отримання|здобуття| великих концентрацій вільних електронів і дірок виконується легування напівпровідників, тобто введення|вступ| в кристалічну решітку напівпровідника домішкових атомів. Ці атоми заміщають у вузлах грат атоми початкової|вихідної| речовини (зазвичай|звично| вводиться|запроваджує| не більше 1 атома домішки|нечистоти| на 1000 атомів початкової |вихідного| речовини|). Існують два типи домішок|нечистот|: донори і акцептори.

Стосовно найбільш поширених напівпровідників кремнію і германію донори це п'ятивалентні елементи (фосфор Р, миш'як As, олово Sb), а акцептори – тривалентні елементи (Бор (B), аллюминий (Al), галій (Ga)).

Якщо в напівпровідник ввести|запроваджувати| п'ятивалентну домішку|нечистоту|, то 4 валентних електрона віднов­люють| ковалентні зв'язки з|із| атомами напівпровідника, а п'ятий електрон залишається вільним. За рахунок цього концентрація вільних електронів перевищуватиме концентрацію дірок і навпровідник|біля| називається напівпровідником з|із| електронним типом провідності|, або напівпровідником n-типу|. У напівпровіднику n-типу| електрони називаються основними носіями заряду, а дірки - неосновними|основними| носіями заряду.

При введенні|вступі| тривалентної домішки|нечистоти| три її валентних електрона відновлюють ковалент­ний| зв'язок з|із| атомами напівпровідника, а четвертий ковалентний зв'язок виявляється|опиняється| не відновленим|, тобто має місце дірка. В результаті|унаслідок| цього концентрація дірок буде більша за кон­центрацію| електронів. Напівпровідник цього типу називається напівпровідником з дірковим типом провідності, або напівпровідником p-типу.У напівпровіднику p-типу| дірки називаються основними носіями заряду, а електрони­| - неосновними|основними| носіями заряду.

Реальна кількість домішок в напівпровіднику складає приблизно 10¹⁵ / см³.

Таким чином, в напівпровідниках на відміну від металів існує два механізми провідності: електронний і дірковий. Перший – це рух вільних елекронів|; другий – рух зв'язаних електронів по вакансіях, що розуміється як рух дірок.

Рис.3. германій легований фосфором Рис.4. Германій легований бором

Утворення електронно-діркового переходу. Зважаючи на нерівномірну концентрацію на межі розділу p і n напівпровідника виникає дифузійний струм, за рахунок якого електрони з n-області переходять в p-область, а на їх місці залишаються некомпенсовані заряди позитивних іонів донорної домішки. Електрони, що приходять в p-область, рекомбінують з дірками, і виникають некомпенсовані заряди негативних іонів акцепторної домішки. Ширіна p-n переходу – десяті долі мікрона. На межі розділу виникає внутрішнє електричне поле p-n переходу, яке буде гальмуючим для основних носіїв заряду і їх відкидатиме від межі розділу.(Рис.4 ).

Рис.4. Електронно дірковий перехід

Для неосновних|основних| носіїв заряду поле буде прискорюючим і переноситиме їх в область, де вони будуть основними. Максимум напруженості електричного поля – на межі|кордоні| розді­лу|.

Різниця потенціалів на p-n| переході називається контактною різницею потенціалів або потенційним бар'єром. Для того, щоб основний носій заряду зміг подолати|здолати| p-n| перехід, його енергія має бути достатньою для подолання|здолання| потенційного бар'єру.

Пряме і зворотне включення|приєднання| p-n| переходу.

Прикладемо зовнішню напругу|напруження| плюсом до p-області|. Зовнішнє електричне поле направле­но| назустріч внутрішньому полю p-n| переходу, що приводить|призводить| до зменшення потенційного бар'єру. Основні носії зарядів легко зможуть подолати|здолати| потенційний бар'єр, і то­му| через p-n| перехід протікатиме порівняно великий струм|тік|, викликаний|спричиняти| основними носіями| заряду.

Таке включення|приєднання| p-n| переходу називається прямим, і струм|тік| через p-n| перехід, викликаний|спричиняти| основними носіями заряду, також називається прямим струмом|током|. Вважається|лічить|, що при прямому включенні|приєднанні| p-n| перехід відкритий|відчиняти|.

Я кщо підключити зовнішню напругу|напруження| мінусом на p-область|, а плюсом на n-область|, то виникає зовнішнє електричне поле, лінії напруженості якого| збігаються з|із| внутрішнім полем p-n| переходу. В результаті це приведе до збільшення по­тенціального| бар'єру і ширини p-n| переходу. Основні носії заряду не зможуть подолати| p-n| перехід, і вважається|лічить|, що p-n| перехід закритий|зачиняти|. Обидва поля – і внутрішнє і зовнішнє - є| прискорюючими для неосновних|основних| носіїв заряду, тому неосновні|основні| носії заряду проходитимуть через p-n| перехід, утворюючи дуже маленький струм|тік|, який називається зворотним| струмом|током|. Таке включення|приєднання| p-n| переходу також називається зворотним.

Напівпровідникові прилади з n-p-переходом називаються діодами. На рис.7 приведена вольт-амперна характеристика діода. Напівпровідникові прилади з двома n-p-переходами називаються транзисторами. Перший діючий транзистор зображений на рис.8. Сучасний транзистор зображений на рис. 9.

Назва походить від сполучення англійських слів: transfer - переносити й resіstor - опір. Транзистори бувають двох типів: p-n-p-транзистори й n-p-n-транзистори. Наприклад, германієвий транзистор p-n-p-типу являє собою невелику пластинку з германія з донорной домішкою, тобто з напівпровідника n-типу. У цій пластинці створюються дві області з акцепторною домішкою, тобто області з дірковою провідністю (рис. 10).

У транзисторі n-p-n-типу основна германієва пластинка має провідність p-типу, а створені на ній дві області - провідністю n-типу (рис.11). P-n-переходи| транзисторів отримують|одержують| методами сплаву, дифузії, епітаксії|, вирощування.

Планарні переходи отримали свою назву тому, що p-n-переходи діодних або транзисторних структур і контакти по всіх областях розташовані на одній плоскості напівпровідникового кристала.

В умовних позначках різних структур стрілка эмиттера показує напрямок струму через транзистор.

Обидва n-p-переходи транзистора з'єднуються із двома джерелами струму. На мал. 12 показане включення в ланцюг транзистора p-n-p-структури. Перехід "эмітер-база" включається в прямому (пропускному) напрямку (ланцюг емітера), а перехід "колектор-база" - у замикаючому напрямку (ланцюг колектора).

Поки ланцюг емітера розімкнутий, струм у ланцюзі колектора дуже малий, тому що для основних носіїв вільного заряду - електронів у базі й дірок у колекторі - перехід замкнений.

При замиканні ланцюга эмиттера дірки - основні носії заряду в эмиттере - переходять із нього в базу, створюючи в цьому ланцюзі струм І_э. Але для дірок, що потрапили в базу з эмиттера, n-p-перехід у ланцюзі колектора відкритий. Більша частина дірок захоплюється полем цього переходу й проникає в колектор, створюючи струм І_к. Для того, щоб струм колектора практично дорівнював струму эмиттера, базу транзистора роблять у вигляді дуже тонкого шару. При зміні струму в ланцюзі емітера змінюється сила струму й у ланцюзі колектора.

Послідовність основних технологічних етапів отримання|здобуття| планарних дифузійних транзисторів n-p-n-типу показана на рис.13||слідуюча|:

Вплив тепла. Залежність провідності (T) обумовлена зміною концентрації носіїв заряду та їх рухливостей зі зміною температури. З підвищенням температури концентрація носіїв заряду зростає. Рухливість носіїв заряду з підвищенням температури може або слабо зростати (при низьких температурах), або слабо зменшуватись (при вищих температурах).

Залежність питомої провідності від температури для власного та домішкового напівпровідників показано на рис.14.

На кривій для домішкового напівпровідника можна виділити три ділянки. При низьких температурах (І) енергія, що надається електронам валентної зони, мала, і вони неспроможні перейти в зону провідності. Електрони домішки перекидаються в зону провідності і створюють домішкову електропровідність, яка зростає з підвищенням температури та концентрації домішки.

На ділянці 2 при деякій температурі T_в настає “виснаження” домішок, і електропровідність напівпровідника може слабо зменшуватись з підвищенням температури (концентрація носіїв заряду залишається сталою, а їх рухливість може зменшуватись). Зі збільшенням концентрації домішок температура виснаження зміщується до вищих температур. На ділянці 3 (в інтервалі високих температур) виявляється власна електропровідність.За нахилом лінійних (або квазілінійних) ділянок кривих рис. 1 можна визначити ширину забороненої зони та енергію активації домішок.

Вплив деформації. При деформації змінюються міжатомні відстані, що призводить до зміни концентрації і рухливості носіїв заряду. Основний фактор – зміна концентрації – визначається енергією активації, причому ширина забороненої зони може як збільшуватися, так і зменшуватись. Тому для різних напівпровідників однакова деформація може викликати як збільшення, так і зменшення питомої електропровідності.

Характеристикою зміни питомої провідності при деформації напівпровідника є коефіцієнт тензочутливості:

(2)

тобто відношення відносної зміни питомого опору до відносної деформації в заданому напрямі.

Вплив світла. Світлова енергія, що поглинається напівпровідником, викликає появу в ньому надмірної (порівняно з рівноважною для даної температури) кількості носіїв заряду, яка призводить до збільшення електропровідності. Явище збільшення електропровідності внаслідок дії електромагнітного випромінювання називається фотопровідністю.

Квантова природа світла призводить до існування довгохвильового краю фотопровідності. Енергія фотона (в еВ)

(3)

( – довжина хвилі, мкм) витрачається у власному напівпровіднику на створення електронно-діркових пар за рахунок перекидання електронів з валентної зони в зону провідності. Тому існує гранична довжина хвилі _m, що визначається енергією кванта, достатною для переходу електрона через заборонену зону напівпровідника (рис.15). Це й дозволяє визначити її ширину. Для випромінювання з >_m напівпровідник прозорий, воно мало впливає на величину питомої фотопровідності.

Короткохвильове випромінювання з <_ф також слабо впливає на провідність напівпровідника, що обумовлено різким зростанням коефіцієнта поглинання. Зі збільшенням частоти електромагнітного випромінювання світло поглинається тонким шаром напівпровідника; весь об’єм залишається малопровідним; носії заряду, що генеруються на поверхні, легко рекомбінують, оскільки їх концентрація виявляється значною.

Швидкість зміни стану напівпровідника визначається параметром ₀ – часом життя нерівноважних носіїв. Він визначає швидкодію фотоелектричних напівпровідникових приладів і складає для різних матеріалів ₀=0,1….10⁴мкс.

Вплив сильного електричного поля. Електропровідність напівпровідників залежить від напруженості електричного поля (рис.16). При низьких значеннях (Е<E_к) витримується закон Ома – питома електропровідність не залежить від напруженості поля, а при вищих значеннях починається інтенсивне зростання провідності.Зростання провідності обумовлено збільшенням числа носіїв заряду, оскільки під впливом поля вони легше звільняються тепловим збудженням. Подальше зростання поля викликає ударну іонізацію, яка інколи призводить до руйнування структури напівпровідника. Значення складає Е_кр≈10⁷ В/м. Таке значення напруженості поля може виникнути навіть при невеликій напрузі в тонких шарах напівпровідника. При виробництві напівпровідникових приладів це приводить до обмеження мінімальної товщини напівпровідникових шарів.

П ри проходженні електричного струму через напівпровідник під дією достатньо сильного електричного поля носії заряду можуть набувати енергії більшої, ніж рівноважна теплова. Такі носії називають “гарячими”. При цьому їх рухливість може значно змінюватись, що може, в свою чергу супроводжуватись електричними коливаннями (ефект Ганна).

В плив магнітного поля. Якщо пластинку напівпровідника помістити в магнітне поле, що створює в ній магнітну індукцію В, а в перпендикулярному напрямі пропустити електричний струм з щільністю J, то в напівпровіднику виникне поперечне електричне поле, перпендикулярне струму і магнітному полю. Поява цього поля проілюстрована на рис.17,. Сила, що діє на рухомий в магнітному полі електрон залежить від індукції В і швидкості руху електрона v:

F=evB (4.3)

Під дією сили F електрони змістяться, і в напівпровіднику виникне електричне поле з напруженістю Ех, направлене від низу до верху і що впливає на електрони у зворотному напрямі з силою -еEХ. Рівновага встановиться в тому випадку, якщо обидві сили, що діють на електрони, будуть рівні:

EVB = -eEХ. (4.4)

Припускаючи|передбачати| електричне поле однорідним, отримаємо|одержуватимемо|

EХх = UX (4.5)