Примесная электронная и дырочная электропроводность
Вещества, которые используются в качестве основного материала для изготовления полупроводниковых приборов (германий и кремний) тщательно очищаются, а затем в них добавляется строго дозированное количество примеси, которое очень мало и составляет порядка 10-4 %. Из-за этого существует трудность изготовления полупроводниковых приборов со строго дозированным количеством примеси. По этой причине разбросы значений качественных показателей полупроводниковых приборов могут составлять 100%.
Атомы примеси замещают в узлах кристаллической решетки атомы основного материала. Дополнительная электропроводность, возникшая в результате введения примеси называется примесной электропроводностью. Сам полупроводник при этом будет называться примесным.
Примеси в кристалле могут отдавать свой электрон, в этом случае получается полупроводник с электронной проводимостью или говорят, полупроводник n-типа (от латинского negative – отрицательный). Либо примеси в кристалле могут захватывать электрон из решетки основного материала, за счет чего образуется полупроводник с дырочной проводимостью или p-типа (от латинского positive – положительный).
Рассмотрим процесс формирования полупроводников n – типа и p – типа.
Предположим что, в качестве основного материала использован четырехвалентный германий. При температуре абсолютного нуля (Т = 0°К = - 273°С) данный полупроводник – диэлектрик. У германия четыре электрона, вращающиеся по внешним орбитам образуют парные или ковалентные связи с четырьмя соседними атомами германия.
В качестве примеси могут быть использованы вещества либо с большей (чем у четырехвалентного Ge) валентностью, например, пятивалентные фосфор(Р), сурьма (Sb), мышьяк (As), либо с меньшей валентностью, например, трехвалентные бор (В), индий (In), алюминий (Аl).
При использовании в качестве примеси фосфора, четыре его электрона образуют жесткие ковалентные связи с четырьмя электронами соседних атомов германия, а пятый электрон оказывается слабо связанным. При воздействии на него внешнего импульса энергии (например, повышения температуры) он может покинуть атом фосфора, стать свободным, при этом атом фосфора становится положительно заряженным ионом (неподвижным, т.к. он находится в одном из узлов кристаллической решетки).
Наличие свободных электронов приводит к тому, что примесная электропроводность полупроводника резко возрастает. Т.к. электропроводность обусловлена наличием электронов, то такой полупроводник называется электронным или n-типа. Примесь в этом случае, называется донорной.
С точки зрения зонной теории, энергетические уровни атомов донора расположены лишь немного ниже зоны проводимости основного материала, что отображено на рисунке:
Поэтому из каждого атома донора один электрон легко переходит в зону проводимости, и т.о. в этой зоне появляется дополнительное число электронов, равное числу атомов донора. В самих атомах донора при этом дырки не образуются.
При внедрении в решетку германия в качестве примеси трехвалентного индия, три его электрона образуют ковалентную связь с тремя электронами соседних атомов германия, а четвертое место является вакантным, и его называют дыркой. Атом индия, захватывая электрон, становится отрицательно заряженным ионом. Т.к. дополнительная электропроводность является дырочной, то полупроводник будет так же называться дырочным или p-типа. Примесь в таком случае называется акцепторной. На рисунке показано схематически, как атом акцепторной примеси (индий), внедренный в кристаллическую решетку германия, захватывает электрон от соседнего атома германия, в котором при этом создается дырка.
С точки зрения зонной теории, энергетические уровни акцепторных атомов располагаются лишь немного выше валентной зоны. На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, в которой при этом возникают дырки.
Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов донорной примеси или акцепторной примеси должна превышать концентрацию собственных носителей заряда.
В полупроводнике n-типа концентрация концентрация свободных электронов Nn значительно выше концентрации дырок Pn, а в полупроводнике p-типа – наоборот, концентрация дырок Pp значительно выше концентрации электронов Np.
Носители заряда, концентрация которых в полупроводнике преобладающая называются – основными. Носители противоположного знака – неосновными. Т.о. основные носители образуются за счет введения примеси, неосновные – за счет собственной электропроводности полупроводника.
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ (P-N) ПЕРЕХОД
В основе работы всех полупроводниковых устройств лежит так называемый p-n-преход.
P-N – переход – это область на границе двух полупроводниковых слоев с электронной и дырочной электропроводностью в едином монокристалле.
На границе раздела создается резкий градиент концентраций одноименных носителей заряда, т.к.
Pp >> Pn; Nn>>Np
При отсутствии внешнего электрического поля, приложенного к переходу на границе p-n перехода происходит диффузия – т.е. переход одноименных носителей заряда из области их высокой концентрации (в которой они являются основными) в область низкой (где они являются неосновными). Это направленное движение создает диффузионный ток Iдиф. Процесс диффузии стремится к уравновешиванию концентраций одноименных носителей заряда на границе перехода.
В результате, диффузия привела к возникновению объемного нескомпенсированного заряда, отрицательного в p-области и положительного в n-области. Область, которую занял этот заряд показана на рисунке:
Т.о. на переходе возникает внутреннее поле – Евнутр (контактная разность потенциалов φк) - потенциальный барьер, который создает тормозящее действие для основных носителей.
Приконтактная область, занятая объемным зарядом называется запирающим (запорным) слоем. (Т.е. это слой, откуда ушли основные носители).
В то же время, это внутреннее поле воздействует на неосновные носители, создавая встречный дрейфовый ток – Iдрейф. Эти токи (диффузионный и дрейфовый показаны на рисунке):
В равновесном состоянии, когда Евнеш (внешнее электрическое поле) отсутствует, т.е. равно нулю, диффузионный и дрейфовый токи уравновешиваются и общий ток через переход равен нулю:
Iдиф + Iдрейф = 0
Это уравнение равновесного состояния на границе.