Примесные полупроводники

Электропроводимость полупроводников

Электропроводность – это свойство веществ проводить электрический ток. Электрический ток – есть направленное движение свободных носителей заряда. Электропроводность веществ количественно характеризуется удельным электрическим сопротивлением s (Ом^.см), или определяется концентрацией n (см^-3) свободных носителей заряда в веществе, т.е. числом электронов в единице объема (эл/см³)

В зависимости от способности проводить электрический ток, все твердые вещества делятся на три группы: проводники (металлы), полупроводники и диэлектрики.

Все полупроводники можно разбить на две группы:

1. чистые (собственные, беспримесные или полупроводники i-типа) – это полупроводники, состоящие из атомов одного сорта;

2. примесные (легированные) – в них часть атомов собственного полупроводника заменяется на атомы другого вещества (полупроводника).

Собственные полупроводники. Атомы собственного полупроводника располагаются в пространстве в строго определённом порядке, образуя кристаллическую решётку с регулярной структурой. Она возникает за счёт обобществления валентных электронов соседними атомами (такая связь называется ковалентной). В собственных полупроводниках, при Т=0⁰K, свободных носителей заряда нет. С повышением температуры электроны приобретают дополнительную энергию, и некоторые из них покидают ковалентные связи, становясь свободными. Свободная ковалентная связь называется дыркой. Процесс образования свободного электрона и дырки называется генерацией.

В результате рекомбинации электрон и дырка перестают существовать. , ,

где: n_i и p_i – концентрация электронов и дырок; А - постоянный коэффициент; Т - температура по шкале Кельвина; - ширина запрещённой зоны, k – постоянная Больцмана.

Примесные полупроводники

Примесные полупроводники бывают двух типов: p и n- типа.

Полупроводники n-типа. Их получают путём введения в собственный, обычно 4-х валентный полупроводник атомов 5-и валентной примеси. Каждый атом создает свободный электрон. Примесь, называется донорной. Атом примеси, оказывается в окружении атомов собственного полупроводника. Четыре электрона атома примеси идут на образование ковалентной связи с соседними атомами собственного полупроводника, а пятый, благодаря малой энергии ионизации, уже при невысокой температуре оказывается свободным.

В результате такого ухода электрона, в полупроводнике n-типа возникает два вида основных зарядов: электрон –отрицательно заряженный электрон и неподвижный положительно заряженный ион донорной примеси. В полупроводнике n-типа основными свободными носителями заряда являются электроны.

Полупроводники p-типа. В них в качестве примеси используются 3-х валентные вещества. В результате введения примеси каждый атом примеси отбирает (присваивает) электрон близлежащего атома собственного полупроводника, в результате чего в полупроводнике образуется дырка. такая примесь называется акцепторной.

Связь атома примеси с четвертым атомом собственного полупроводника оказывается незаполненной. Однако на нее сравнительно легко могут переходить электроны соседних атомов собственного полупроводника. В результате такого перехода образуется два заряда: свободный (подвижный) положительно заряженный заряд - дырка, и неподвижный отрицательно заряженный ион акцепторной примеси. дырки являются основными свободными носителями заряда.

3. Токи в полупроводнике. Дрейф и диффузия

В полупроводнике возможны два механизма движения зарядов (создания тока): дрейф и диффузия. Дрейф - это движение носителей заряда под влиянием электрического поля. Если между двумя точками есть разность потенциалов j, то градиент потенциала Е=dj/dx называется напряженностью поля. Приложим к обьему полупроводника, внешнее напряжение U, электроны движутся от меньшего потенциала к большему, а дырки навстречу. Плотность полного дрейфового тока состоит из электронной и дырочной составляющих:

,

где: и - электронная и дырочная составляющая ; -V_n, V_p – средняя скорость электронов и дырок; q_e, q_p – заряд электронов и дырок в единице объема полупроводника; n, p – концентрация электронов и дырок в полупроводнике; е, -е – заряд дырки и электрона; _n, _р – подвижность электронов и дырок (m= V/ E); E- напряжённость электрического поля. Отсюда:

где - удельная электропроводность полупроводника.

Диффузия - это движение носителей под действием градиента концентрации. Если в полупроводнике в направлении х, имеется неравномерное распределение концентрации заряда, то под действием теплового движения возникнет движение зарядов из области высокой концентрации заряда в область низкой. Градиентом концентрации электронов называют производную по направлению - dn/dx, а градиентом концентрации дырок - dр/dх.

Диффузия всегда происходит из области большей концентрации в область меньшей.

В общем случае могут присутствовать все четыре составляющих, тогда плотность полного тока равна векторной сумме:

I_n.др +Ip_.др+ I_n.диф+I_p.диф =0

Электрические переходы

Электрический переход в полупроводнике – это граничный слой между двумя областями полупроводника, физические характеристики которых существенно различаются

1. Электронно дырочный или p-n переход - полупроводник с разным типом проводимости 2. Электронно – электронный (n⁺-n) и дырочно – дырочный переходы (p⁺-p) переходы - полупроводник с различной удельной проводимостью. + - концентрация свободных носителей заряда выше. 3. Переход на границе металл-полупроводник. Если на границе областей металл- полупроводник n-типа работа выхода электронов из полупроводника А_п/п меньше работы выхода электронов из металла А_м (А_п/п< А_м), то в области контакта электроны из полупроводника n-типа переходят в металл, образуя в нем избыточный отрицательный заряд. 4. Гетеропереход - возникает между двумя разнородными полупроводниками, имеющими различную ширину запрещенной зоной

Эффект поля состоит в изменении концентрации носителей заряда, а следовательно и проводимости в приповерхностном слое. Режим обогащения и режим обеднения. Приповерхностный слой с повышенной концентрацией свободных носителей заряда называется обогащенным, а с пониженной концентрацией – обедненным.При положительной полярности на металле относительно полупроводника в полупроводнике n-типа происходит обогащение приповерхностного слоя электронами, а в полупроводнике p-типа - обеднение его дырками. И наоборот. Слой инверсной проводимости. Если в режиме обеднения продолжить увеличение напряжения, то процесс обеднения продолжится, В то же время в приповерхностный слой устремятся неосновные носители заряда из глубины полупроводника.

5. p-n переход

Механическим контактом двух полупроводников с различным типом проводимости p-n переход получить невозможно. Наиболее распространены два способа получения p-n перехода.

а) Метод сплавления. б) Диффузионный метод.

Рассмотрим способ (б). Наиболее распространена планарная конструкция p-n переходов, при которой p-n переход создаётся путём диффузии на одну из сторон пластины полупроводника.

1. Тонкая пластина подвергается термообработке, появляется слой диокиси кремния SiO₂- изолятор. 2 удаляют определённые участки в слое SiO₂, создавая окна и напыляя туда акцепторную примесь. 3. В результате диффузии атомов примеси в полупроводнике n -типа образуется p -область, а между ними p-n переход. p-n переход.

P-n-переход характеризуется двумя основными параметрами:

1. высота потенциального барьера. Она равна контактной разности потенциалов φ_к,. Это разность потенциалов в переходе, обусловленная градиентом концентрации носителей заряда. Это энергия, которой должен обладать свободный заряд чтобы преодолеть потенциальный барьер:

j_т=кТ/е - температурный потенциал. ширина p-n-перехода – это приграничная область, обеднённая носителями заряда, которая располагается в p и n областях l_p-n = l_p + l_n:

, отсюда ,

где ε — относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; ε₀ — диэлектрическая постоянная свободного пространства.

(6)Р-n переход при внешнем напряжении, приложенном к нему

Внешнее напряжение нарушает динамическое равновесие токов в p-n -переходе. p-n переход переходит в неравновесное состояние. В зависимости от полярности напряжения приложенного к областям в p-n -перехода возможно два режима работы.

1) Прямое смещение p-n перехода. Р-n переход считается смещённым в прямом направлении, если положительный полюс источника питания подсоединен к р-области, а отрицательный к n-области. При прямом смещении, напряжения j_к и U направлены встречно, результирующее напряжение на p-n переходе убывает до величины j_к - U. напряженность электрического поля убывает и возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Кроме того, прямое смещении уменьшает ширину p-n перехода. Ток диффузии становится много больше дрейфогово. Через p-n переход протекает прямой ток I_р-n=I_пр=I_диф+I_др @I_диф.

При протекании прямого тока основные носители заряда р-области переходят в n-область, где становятся неосновными. Диффузионный процесс введения основных носителей заряда в область, где они становятся неосновными, называется инжекцией, а прямой ток – диффузионным током или током инжекции. Для компенсации неосновных носителей заряда накапливающихся в p и n-областях во внешней цепи возникает электронный ток от источника напряжения, т.е. принцип электронейтральности сохраняется.

При увеличении U ток резко возрастает, - температурный потенциал, и может достигать больших величин т.к. связан с основными носителями концентрация которых велика.