Электропроводность полупроводников (собственная и примесная проводимость)

Все встречающиеся в природе вещества по электрическим свойствам подразделяют на 3 группы: вещества, хорошо проводящие электрический ток – проводники, в основном металлы; вещества, практически не проводящие электрический ток – изоляторы или диэлектрики; вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками – полупроводники. При изготовлении полупроводниковых приборов и ИМС применяются простые полупроводниковые вещества (как правило, элементы IV группы периодической системы – германий (Ge), кремний (Si)) и сложные полупроводниковые материалы (арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN), карбид кремния (SiC) и др.).

Для полупроводников характерна сильная зависимость их свойств и характеристик от микроскопических количеств содержащихся в них примесей. Изменяя количество примеси в полупроводнике от десятимиллионных долей процента до 0,1-1 %, можно изменить их проводимость в миллионы раз.

Если рассматривать идеализированный полупроводниковый кристалл, абсолютно свободный от каких-нибудь примесей, то его способность проводить электрический ток будет определяться так называемой собственной электропроводностью. В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда (свободных электронов и дырок) невелика и составляет 10¹⁶-10¹⁸ на 1 см³ вещества. Для снижения удельного сопротивления и придания определенного типа электропроводности в чистые полупроводники вносят примеси. Такой процесс называется легированием, а соответствующие полупроводники – легированными или примесными. При наличии примесной электропроводности в полупроводнике имеется два типа носителей: основные, которые появляются за счет введения примеси, и неосновные, обязанные своим появлением тепловому или любому другому воздействию.

В качестве легирующих примесей применяют элементы III и V групп периодической системы. Элементы III группы (бор (В), индий (In), алюминий (Al) или галлий (Ga)) создают дырочную электропроводность или p-типа (positive – положительный) и называются акцепторными примесями. Дырки в таких полупроводниках являются основными носителями, а электроны – неосновными. Элементы V группы (мышьяк (As), фосфор (P) или сурьма (Sb)) создают электронную электропроводность или n-типа (negative – отрицательный) и называются донорными примесями. Электроны в таких полупроводниках являются основными носителями, а дырки – неосновными.

Концентрация (содержание в 1 см³) электронов n и дырок p для данного полупроводника приданной температуре есть величина постоянная:

,

где и– концентрация электронов в полупроводнике n-типа и p-типа, соответственно;и– концентрация дырок в полупроводнике n-типа и p-типа, соответственно.

Это означает, что при увеличении в несколько раз за счет введения примеси концентрации носителей данного типа, во столько же раз уменьшается концентрация носителей другого типа.

P-n-переход в состоянии термодинамического равновесия

Основой большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный или p-n-переход. Электронно-дырочным или p-n-переходом называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную электропроводность. Рассмотрим образование p-n-перехода при соприкосновении двух полупроводников с различными типами электропроводности (рис. 1).

Так как концентрация электронов в полупроводнике n-типа намного больше концентрации электроновв полупроводнике p-типа, а концентрация дырокв полупроводнике p-типа значительно больше концентрации дырокв полупроводнике n-типа, то на границе раздела двух полупроводников создается градиент (перепад) концентраций дырок и электронов. Это вызывает диффузию электронов из слоя n в слой p, а дырок – из слоя p в слой n. При встречном движении электронов и дырок происходит их рекомбинация (воссоединение) – свободные электроны из зоны полупроводника n-типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника p-типа.

Рекомбинация основных носителей приводит к тому, что в приконтактной зоне полупроводников образуется обедненный от подвижных носителей заряда слой, обладающий большим сопротивлением, – так называемый запирающий слой (рис. 1, б). Толщина запирающего слоя составляет десятые доли микрона.

Рис. 1. Структура электронно-дырочного перехода в состоянии термодинамического равновесия: а – распределение носителей заряда в полупроводниках p- и n-типов до образования контакта; б – то же в условиях контакта, но при отсутствии внешнего поля; в – распределение концентраций акцепторной и донорной примесей, а также концентраций основных и неосновных носителей заряда; г – распределение плотности пространственного заряда; д – изменение потенциальных энергий электронов и дырок;е – распределение концентраций основных и неосновных носителей заряда

Обедненный слой представляет собой область на границе полупроводников, имеющую определенную плотность объемного заряда, так как в приконтактной зоне полупроводника n-типа образуется нескомпенсированный положительный заряд за счет ионов донорной примеси, а в полупроводнике p-типа – нескомпенсированный отрицательный заряд за счет ионов акцепторной примеси.

Двойной электрический слой, который образуют неподвижные ионы донорной и акцепторной примесей, приводит к появлению контактной разности потенциалов, называемой потенциальным барьером . Возникшая разность потенциалов создает в запирающем слое электрическое поле, напряженность которогонаправлена от полупроводника n-типа к полупроводнику p-типа (рис. 1,б).

Величина потенциального барьера равна

,

где – температурный потенциал (приК температурный потенциал равенВ);Дж/К – постоянная Больцмана;– абсолютная температура, К;Кл – заряд электрона.

График распределения плотности пространственного заряда в идеализированном виде приведен на рис. 1, г. На внешней границе и в глубине полупроводников заряд равен нулю, а в приконтактных зонах полупроводников p- и n-типа определяется соответственно концентрациями атомов акцепторной и донорнойпримесей.

Появление электрического поля напряженностью препятствует расширению запирающего слоя (диффузии основных носителей) и не препятствует движению неосновных носителей (вызывает так называемый дрейф неосновных носителей). На рис. 1,д приведены графики потенциальных энергий дырок и электронов. В глубине дырочного полупроводника потенциальная энергия дырок равна некоторому постоянному значению, а при приближении к зоне p-n-перехода энергияначинает расти за счет потенциальной энергии электрического поля p-n-перехода. В глубине слоя n-типа потенциальная энергия дырок максимальна и превосходит эту энергию в полупроводнике p-типа на, обусловленную потенциальной энергией двойного электрического слоя. Для того чтобы дырки могли перейти из слоя p-типа в слой n-типа, они должны обладать энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, высота которого.

Потенциальная энергия электронов в слое n-типа равна некоторому постоянному значению, а при приближении к p-n-переходу начинает расти. В полупроводнике p-типа эта энергия максимальна и превосходит энергию электронов области полупроводника n-типа на. Для перехода электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа необходимо преодолеть потенциальный барьер, высота которогообусловлена потенциальной энергией поля.

При переходе неосновных носителей из одной области в другую происходит не преодоление потенциального барьера, а как бы "скатывание" с него. Однако при движении через p-n-переход неосновных носителей (так называемый дрейфовый ток ) происходит снижение контактной разности потенциалов, что позволяет некоторой части основных носителей, обладающих достаточной энергией, преодолеть потенциальный барьер высотой. Появляется диффузионный ток, который направлен навстречу дрейфовому току, т.е. возникает динамическое равновесие, при котором=.