Doping a semiconductor crystal introduces allowed energy states within the band gap but very close to the energy band that corresponds with the dopant type. In other words, donor impurities create states near the conduction band while acceptors create states near the valence band. The gap between these energy states and the nearest energy band is usually referred to as dopant-site bonding energy or EB and is relatively small. For example, the EB for boron in silicon bulk is 0.045 eV, compared with silicon's band gap of about 1.12 eV. Because EB is so small, it takes little energy to ionize the dopant atoms and create free carriers in the conduction or valence bands. Usually the thermal energy available at room temperature is sufficient to ionize most of the dopant.
Dopants also have the important effect of shifting the material's Fermi level towards the energy band that corresponds with the dopant with the greatest concentration. Since the Fermi level must remain constant in a system in thermodynamic equilibrium, stacking layers of materials with different properties leads to many useful electrical properties. For example, the p-n junction's properties are due to the energy band bending that happens as a result of lining up the Fermi levels in contacting regions of p-type and n-type material.
This effect is shown in a band diagram. The band diagram typically indicates the variation in the valence band and conduction band edges versus some spatial dimension, often denoted x. The Fermi energy is also usually indicated in the diagram. Sometimes the intrinsic Fermi energy, Ei, which is the Fermi level in the absence of doping, is shown. These diagrams are useful in explaining the operation of many kinds of semiconductor devices.
Preparation of semiconductor materials
Semiconductors with predictable, reliable electronic properties are necessary for mass production. The level of chemical purity needed is extremely high because the presence of impurities even in very small proportions can have large effects on the properties of the material. A high degree of crystalline perfection is also required, since faults in crystal structure (such as dislocations, twins, and stacking faults) interfere with the semiconducting properties of the material. Crystalline faults are a major cause of defective semiconductor devices. The larger the crystal, the more difficult it is to achieve the necessary perfection. Current mass production processes use crystal ingots between four and twelve inches (300 mm) in diameter which are grown as cylinders and sliced into wafers.
Because of the required level of chemical purity and the perfection of the crystal structure which are needed to make semiconductor devices, special methods have been developed to produce the initial semiconductor material. A technique for achieving high purity includes growing the crystal using the Czochralski process. An additional step that can be used to further increase purity is known as zone refining. In zone refining, part of a solid crystal is melted. The impurities tend to concentrate in the melted region, while the desired material recrystalizes leaving the solid material more pure and with fewer crystalline faults.
Полупроводники
Полупроводники – твердые вещества, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и которые могут постоянно либо динамически управляться в широком диапазоне. Полупроводники очень важны в технологиях. Полупроводниковые приборы, электронные компоненты, выполненные из полупроводниковых материалов, играют значительную роль в современных электрических устройствах. Примеров применения множество, начиная с компьютеров, сотовых телефонов и заканчивая цифровыми аудиоплеерами. Большинство коммерческих полупроводников сделано из кремния, но помимо его используется еще дюжины материалов.
Обзор полупроводников
Полупроводники очень схожи с диэлектриками. Две категории материалов отличаются в основном тем, что в диэлектриках ширина запрещенной зоны больше – энергий, необходимых для свободного перемещения электронов от атома к атому. При комнатной температуре в полупроводниках, как и в диэлектриках, очень малое количество электронов имеет достаточную тепловую энергию для преодоления запрещенной зоны из валентной зоны в зону проводимости, которая важна для электронов, необходимых для протекания электрического тока. По этой причине чистые полупроводники и диэлектрики в отсутствии приложенного электрического поля имеют почти одинаковое сопротивление. Тем не менее меньшие размеры запрещенной зоны полупроводников позволяют другим средствам, кроме температуры контролировать их электрические свойства.
Часто внутренние электрические свойства полупроводников изменяют путем добавления примесей. Этот процесс называется легирование. Обычно, это достаточно приблизительно, что каждая примесь добавляемая в атом – это один электрон или одна "дырка", которые могут свободно перемещаться. После добавления достаточно большой доли легирующих примесей, полупроводники будут проводить электричество почти также как металлы. В зависимости от вида примеси легированная область полупроводника может содержать больше электронов или дырок; и называются они n- и p- типы полупроводников. Пересечения между областями n- и p- типов полупроводников создают электрические поля, которые вызывают возможность электронов и дырок вылетать из них, этот эффект имеет существенное значение для функционирования полупроводниковых устройств. Также, градиент плотности в примесях создает маленькое электрическое поле в области, которая используется для ускорения неравновесных электронов или дырок.
В дополнение к постоянной модификации легированием, сопротивление полупроводников, как правило, изменяется динамически за счет применения электрических полей. Возможность динамического управления сопротивлением/проводимостью в полупроводниковых материалах посредством приложения электрического поля делает полупроводники полезными. Это привело к созданию широкого спектра полупроводниковых устройств, таких как транзисторы и диоды. Полупроводниковые устройства, которые имеют динамически контролируемую проводимость, например транзисторы, являются элементами интегральных схем устройств, таких как микропроцессор. Эти "активные" полупроводниковые устройства (транзисторы) объединяют с пассивными элементами, выполненными из полупроводниковых материалов, такими как конденсаторы и резисторы для получения электронных цепей.
В большинстве полупроводников, когда электроны теряют достаточное количество энергии для вылета из зоны проводимости к валентной зоне (энергетические уровни выше и ниже запрещенной зоны), они всегда испускают свет, квант энергии в видимом электромагнитном спектре. Этот фотоэмиссионный процесс лежит в основе светодиода и полупроводникового лазера, которые коммерчески очень важны. Напротив, полупроводниковое поглощение света в фотоприемниках заставляет электроны двигаться из валентной зоны к более высокой зоне проводимости, таким образом, облегчая поглощение света и изменение его интенсивности. Это свойство важно для оптико-волоконной связи, оно создает основы получения энергии от солнечных батарей.
Полупроводниками могут быть простые материалы такие как кремний и германий, или составные полупроводники такие как арсенид галлия и фосфид индия, или сплавы такие как кремний-германий или арсенид алюминий-галлия.
Зонная структура
Как и другие твердые вещества, электроны в полупроводниках могут иметь энергию только в определенных зонах между энергией заземления, которой соответствуют электроны тесно связаные с атомным ядром материала, а также свободная энергия электрона - энергия, необходимая для полного вылета электрона из материала. Каждая из зон энергии соответствует большому числу дискретных квантовых состояний электронов, также большинство состояний с низкой энергией (расположенны ближе к ядру) заполнены до определенной оболочки, называемой валентной. Полупроводники и диэлектрики отличаются от металлов тем, что валентная оболочка в полупроводниковых материалах при обычных условиях эксплуатации почти заполнена, тем самым в зоне проводимости будет больше свободных электронов.
Легкость, с которой электроны в полупроводниковых могут возбудиться из валентной зоны в зону проводимости зависит от ширины запрещенной зоны между ними, она и определяет величину энергии запрещенной зоны, которая выступает в качестве произвольного разделительной линии (приблизительно 4 эВ) между полупроводниками и диэлектриками.
Для проведения электрического тока электроны должны двигаться из одного состояния в другое, и в соответствии с принципом запрета Паули полностью заполненные зоны не содействуют электропроводности. Тем не менее, как только температура полупроводника поднимается выше абсолютного нуля, диапазон значений энергий электронов в данной зоне увеличивается, и возникает вероятность того, что некоторые электроны могут иметь энергетическое состояние зоны проводимости, которая находится над валентной зоной. Токопроводящие электроны в зоне проводимости известны как "свободные электроны", хотя они и называются часто просто "электронами", но только если контекст позволяет это.
Электроны, перешедшие в зону проводимости, оставляют после себя электронные дырки, или, так называемые, свободные состояния в валентной оболочке. И зона проводимости электронов и валентная зона дырок способствуют электрической проводимости. В действительности дырки сами по себе не перемещаются, но находящийся по соседству электрон может заполнить эту дырку, оставляя в том месте откуда он пришел дырку, из этого следует, что дырки двигаются, они ведут себя так, как если бы они положительно заряженными частицами.
Одна ковалентная связь между соседними атомами в твердом теле в десять раз сильней в сравнении со связью одного электрона и атома, таким образом, освобождение электрона не подразумевает разрушение кристаллической решетки.
Понятие дырка, которое было представлено для полупроводников, может быть также применяться к металлам, где уровень Ферми лежит в пределах зоны проводимости. В большинстве металлов эффект Холла показывает, что электроны являются носителями заряда, однако некоторые металлы имеют почти полностью заполненую зону проводимости, в таком случае эффект Холла показывает, что они – носители положительного заряда, но не ионы, а дырки. Контрастируйте это к некоторым проводникам подобным растворам солей, или плазме. В случае с металлом, для электронов необходимо небольшое количество энергии, чтобы занять свободное состояние, то есть для протекания тока. Иногда даже в этом случае можно сказать, что дырка была оставлена, для объяснения, почему электрон не приобрел низкую энергию: он не может найти дырку. Наконец в обоих материалах электрон-фотонное рассеяние и дефекты являются доминирующими причинами сопротивления.
Распределение энергии электронов определяет какое из состояний заполнено, а какое пусто. Это распределение описывается статистикой Ферми-Дирака. Распределение характеризуется температурой электронов и энергией Ферми или уровенем Ферми. При абсолютно нулевом состоянии энергия Ферми может считаться энергией, до которой свободные электроны заняты. При повышенных температурах, энергия Ферми является энергией, при которой вероятность того, что состояние будет занято снижается до 0.5.
Зависимость распределения энергии электронов от температуры также объясняет, почему проводимость полупроводника имеет сильную температурную зависимость; полупроводник, работающий при пониженных температурах, будет иметь меньше доступных свободных электронов и дырок, способных совершать работу.