8.2. Электропроводность примесных полупроводников

Введение в полупроводник примесей сильно влияет на его электрические свойства. Под примесями подразумеваются как атомы или ионы посторонних элементов, так и различного рода дефекты и искажения в кристаллической решетке – пустые узлы, сдвиги и т.п. Все это вносит дополнительные изменения в периодическое поле кристалла и влияет на поведение электронов и их энергетические состояния.

Если в кристаллическую решетку полупроводника вводят примесные атомы, то независимо от того, где эти атомы располагаются в кристалле, возникают дополнительные энергетические уровни, расположенные в запрещенной зоне и называемые примесными энергетическими уровнями.

Примеси играют двоякую роль. Они могут служить, с одной стороны, дополнительными поставщиками электронов в кристалл, с другой – центрами локализации имеющихся в кристалле электронов. Рассмотрим, что произойдет, если в решетке кремния один его атом замещен атомом примеси с пятью валентными электронами – фосфором (Рис.8.6).

Рис.8.6 Рис.8.7

Четыре электрона примесного атома будут находиться в химической связи с соседними атомами кремния, а пятый электрон не может образовать валентную связь. Этот «лишиний» электрон слабее связан с атомом, и его сравнительно легко перевести в зону проводимости ( ) полупроводника. Энергия «лишних» примесных электронов несколько меньше, чем энергия, соответсвующая нижней границе зоны проводимости полупроводника. Поэтому энергетические уровни прмесных электронов располагаются вблизи дна зоны проводимости (Рис. 8.7). Эти уровни заполнены некоторым числом электронов и называются донорными, а атомы примесей, поставляющие «лишние» электроны в решетку называются атомами-донорами. Для перевода электронов с примесного уровня в зону проводимости нужна незначительная энергия - энергия активации электронной проводимости донорной примеси,которую он может получить при тепловом возбуждении (Рис.8.8).В результате переброса электронов с донорных уровней в зону проводимости в полупроводнике возникает электронная примесная проводимость – проводимость -типа(Рис.8.9). Полупроводники такого типа называютися электронными или полупроводниками -типа.

Рис.8.8 Рис.8.9

Предположим, что в решетку кремния введен примесный атом с тремя валентными электронами – бор. Такой атом не может сформировать полного комплекта необходимых связей в решетке кремния, так как у него для этого не хватает одного электрона. Однако, он может насытить все связи, если позаимствует электрон у ближайшего атома кремния. Тогда на месте электрона, ушедшего из атома кремния, образуется «положительная дырка», которая будет заполняться электроном из соседнего атома кремния. Процесс последовательного заполнения свободной связи эквивалентен движению дырки в полупроводнике.

Рис.8.10 Рис.8.11

Трехвалентные примеси приводят к появлению в запрещенной энергетической зоне примесных энергетических уровней, не занятых электронами. Они называются акцепторными уровнями.Атомы примесей в этом случае называются атомами-акцепторами.Акцепторные уровни располагаются несколько выше верхнего края (потолка) валентной зоны основногокристалла на величину (Рис.8.10).Эта энергия значительно меньше общей ширины запрещенной зоны. Поэтому за счет теплового возбуждения электроны достаточно легко могут переходить из валентной зоны на акцепторные (примесные) уровни и там закрепляться (Рис.8.11). В результате этого освобождаются места вблизи потолка валентной зоны, прежде занятые электронами. Электроны, находящиеся в валентной зоне могут теперь участвовать в проводимости полупроводника, которую надо рассматривать как дырочную примесную проводимость. Описанный тип примесной проводимости называется также проводимостью -типа, а полупроводники с таким типом проводимости дырочными полупроводниками или полупроводниками -типа.

При анализе зависимости электропроводности примесного полупроводника от температуры необходимо учитывать два вклада – от примесных носителей заряда и от собственных носителей заряда:

Н а рис.8.12 представлен график этой зависимости в полугарифмическаих координатах.

Рис.8.12

Рассмотрим три диапазона температур:

1. .

В случае низких температур концентрация примесных носителей заряда возрастает – за счет энергии теплового движения все больше и больше примесных атомов превращается в ионы. Число собственных носителей существенно меньше примесных носителей заряда, так как переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости требуют значительно большей энергии и при таких температурах невозможны.

Зависимостть от температуры будет линейной, по углу наклона прямой (Рис.8.12) можно найти энергию активации примесных носителей заряда:

2. .

При этой температуре (температураистощения примеси) все примесные атомы превращеются в ионы, концентрация примесных носителей достигает максимального значения и при дальнейшем повышении температуры не изменяется.

3. .

В этой области концентрация примесных носителей не изменяется, а концентрация собственных носителей заряда будет значительно меньше концентрации примесных носителей заряда. Следовательно, . График будет представлять собой горизонтальный прямолинейный участок. Можно отметить, что в этой области температур наблюдается незначительное понижение электропроводности (пунктирная линия на Рис.8.12 за счет уменьшения подвижности свободных носителей при повышении температуры.

4. .

При этой температуре становятся эффективными переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости, начинает резко возрастать концентрация собственных носителей заряда. Эта температура называется температурой перехода к собственной проводимости примесного полупроводника.

5. .

В этой области температур концентрация собственных носителей заряда значительно превышает концентрацию примесных носителей заряда, примесный полупроводник становится собственным:

Зависимость от температуры, в этой области, линейная, по углу наклона этой прямой(Рис.8.12) можно найти ширину запрещенной зоны полупроводника.

Область температур является рабочей областью примесного полупроводника.

8.3.Контактные явления в полупроводника, переход

В о многих областях современной электроники большую роль играет контакт двух полупроводников с различными и типами проводимости. Такой контакт называется электронно-дырочным переходом или переходом, которые используются не только для выпрямления переменных токов, но также и для генерирования и усиления высокочастотных токов. Практически переход осуществляется в виде области объема полупроводника, где один тип проводимости переходит в другой за счет микролегирования соответствующими элементами.

Рассмотрим контакт примесных полупроводников и типа, полученных из одного и того же собственного полупроводника с энергией активации например, за счет введения донорных и акцепторных примесей. На Рис.8.13 показаны энергетические зоны этих полупроводников до приведения их в контакт.

Рис.8.13

При контакте полупроводников происходит переход электронов из полупроводника в полупроводник, а дырок - в обратном направлении. Этот процесс заканчивается, когда уровни Ферми в обоих полупроводниках выравниваются и система приходит в состояние термодинамического равновесия (Рис.8.14).

Рис.8.14

В контактном слое полупроводника толщиной образуется положительный объемный заряд, а в контактном слое полупроводника толщиной создается отрицательный объемный заряд.Между полупроводниками возникает внутренняя контактная разность потенциалов

.

Переход электрона из в полупроводник через задерживающее его электрическое поле контактного слоя приводит к увеличению потенциальной энергии электрона. Соответственно за пределами контактного слоя толщиной «дно» зоны проводимости и «потолок» валентной зоны в полупроводнике располагается выше чем в полупроводнике.

Носители тока, в каждом из полупроводников делятся на основные и неосновные. Основные носители образуются за счет донорных или акцепторных примесей, а неосновные носители образуются за счет переброса путем теплового возбуждения небольшого числа электронов из валентной зоны примесного полупроводника в зону проводимости. При обычной температуре концентрация неосновных носителей во много раз меньше, чем основных (поэтому они и получили такие названия). В полупроводнике основные носители – электроны проводимости, а неосновные – дырки в валентной зоне. В полупроводнике основные носители – дырки в валентной зоне, а неосновные - электроны проводимости.

П ереход электронов из в полупроводник связан с их «подъемом» до «дна» зоны проводимости полупроводника. Электроны в этом случае преодолевают потенциальный барьер. Этому соответствует сила тока через контакт - . То же самое получается и для электрического тока через - переход, осуществляющегося за счет движения дырок - . Эти электрические токи направлены во взаимно противоположные стороны. В состоянии термодинамического равновесия они равны по абсолютной величине, так что результирующий ток через - переход равен нулю.

Рис.8.15

Рассмотрим влияние внешнего электрического поля на электрический ток через - переход. Удельное электрическое сопротивление контактного слоя, сильно обедненного носителями тока, во много раз больше, чем в остальной части полупроводников. Поэтому можно считать, что приложенное внешнее напряжение практически полностью приходится на контактный слой.

Будем считать, что напряжение , если - полупроводник подсоединен к аноду источника, а - полупроводник – к катоду (Рис.8.15).В этом случае высота потенциального барьера для перехода через контакт основных носителей тока (электронов из - полупроводника в - полупроводник и дырок из - в - полупроводник) увеличивается по сравнению с равновесным состоянием (Рис.8.15). Поэтому ток основных носителей меньше, чем в состоянии равновесия. Это направление тока через - переход называется запорным, толщина контактного слоя больше толщины этого же слоя в равновесном состоянии, т.е. при напряжении .

Пусть теперь напряжение , т.е. анод источника тока присоединен к - полупроводнику, а катод – к - полупроводнику (Рис.8.16).

Рис.8.16

В этом случае высота потенциального барьера для перехода через контакт основных носителей тока (электронов из - полупроводника в - полупроводник и дырок из - в - полупроводник) понижается. Соответственно возрастает ток основных носителей.Результирующий электрический ток через - переход протекает, в так называемом.пропускном направлении из полупроводник:

Зависимость тока от приложенного напряжения – вольтмперная характеристика (ВАХ) - перехода показана на Рис. 8.17.Если обратное напряжение очень большое, сила тока начинает резко возрастать. Данный процесс называется электрическим пробоем перехода (это левая ветвь на рис. 11). По этой причине любой переход характеризуется своим предельным значением обратного напряжения.

Рис.8.17

Электрический ток через - переход при очень невелик. Поэтому - переход можно использовать для выпрямления переменного тока. В современной радиотехнике и полупроводниковой электронике широко используют различные полупроводниковые приборы и устройства, которые служат для генерирования, усиления и преобразования электрических колебаний. К ним относятся полупроводниковые диоды, основанные на свойстве односторонней проводимости - перехода. Кристаллические полупроводниковые диоды выгодно отличаются от ламповых механической прочностью, дешевизной, малыми размерами, большим сроком службы и др. качествами.