ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
ПОЛУПРОВОДНИКИ
Виды и структура полупроводников.
К полупроводникам относятся вещества с удельной электропроводностью s в интервале 10-10< s< 104 См/см. Вещества с меньшей электропроводностью относят к диэлектрикам, с большей – к металлам. Эти границы условны, особенно между диэлектриками и полупроводниками. Главное различие между полупроводниками и металлами заключается в том, что у металлов удельное сопротивление возрастает с ростом температуры, а у полупроводников – падает.
К полупроводникам относится большая группа веществ, но в производстве приборов используются лишь немногие, главным образом, германий Ge, кремний Si, арсенид галлия GaAs и некоторые другие.
Структура полупроводников.
Кристаллическая решетка.
Применяемые в электронике полупроводники имеют, как правило, монокристаллическую структуру, т.е. во всем объеме вещества атомы размещены в узлах строго определенной единой кристаллической решетки. Кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек той или иной формы и размера. В случае простейшей кубической решетки ребро элементарной ячейки – куба – является постоянной решетки.
В германии и кремнии атомы образуют кубическую решетку типа алмаза, где каждый атом связан с 4-мя ближайшими соседями ковалентной связью. Для наглядности эту решетку можно представить в виде плоской модели (рис.1.1а), где двойные черточки, связывающие атомы, отображают ковалентную химическую связь, образованную двумя электронами.
Дефекты решетки.
Структура кристалла никогда не бывает идеальной, всегда имеются дефекты решетки и дислокации (смещения плоскостей решетки).
Дефекты точечного типа могу иметь вид пустого узла (дефект по Шоттки), совокупности пустого узла и междуузельного атома (дефект по Френкелю) или чужеродного атома – примеси. Любой реальный кристалл содержит примеси – либо паразитные, от которых не удается избавиться при очистке, либо полезные, которые вводятся специально для получения нужных свойств кристалла. Примеси могут располагаться либо между узлами решетки (примесь внедрения), либо в самих узлах вместо основных атомов (примесь замещения).
Поверхность кристалла.
На поверхности кристалла часть ковалентных связей оказывается разорванной, что приводит к нарушению энергетического равновесия. Равновесие восстанавливается различными путями: может измениться расстояние между атомами в приповерхностном слое; может произойти захват – адсорбция – чужеродных атомов или молекул; может образоваться химическое соединение (например, окисел), не имеющее незаполненных связей на поверхности, и т. п. В любом случае структура тонкого приповерхностного слоя (толщиной несколько нанометров) отличается от структуры основного объема кристалла и этот слой следует рассматривать как особую область кристалла.
Носители заряда в полупроводниках.
В полупроводниках существуют два вида носителей заряда – электроны и дырки. В структуре на рис.1а нет свободных носителей заряда – все электроны связаны с атомами и не могут перемещаться по кристаллу, вещество не проводит электрический ток, т.е. является диэлектриком. Но такое положение существует только при абсолютном нуле температуры. С ростом температуры возрастает энергия колебательных движений атомов, и некоторая часть электронов приобретает энергию, достаточную для отрыва от атома. Оторвавшийся электрон может свободно перемещаться по кристаллической решетке. В том месте, откуда выбит электрон, образуется некомпенсированный положительный заряд, равный заряду электрона. Это и есть дырка. Она также может свободно перемещаться по кристаллу за счет перескока валентного электрона с соседних атомов, в результате дырка оказывается у соседнего атома и далее этот процесс повторяется. В результате образуется электронно-дырочная пара, как показано на рис.1 б, где дырка обозначена мелким светлым кружком, электрон – темным. Этот процесс принято описывать как результат столкновения электрона с фононом. Фонон – квант энергии колебательных движений атомов кристаллической решетки. При столкновении фонон исчезает, его энергия передается электрону.
Процесс образования электронно-дырочных пар под действием теплового движения называется термогенерацией. Наряду с термогенерацией идет и обратный процесс – рекомбинация, - когда свободный электрон соединяется с дыркой и восстанавливается валентная связь, пара носителей исчезает.
Собственные и примесные полупроводники.
Собственный полупроводник – беспримесный и бездефектный полупроводник с идеальной кристаллической решеткой. В собственном полупроводнике электроны и дырки всегда образуются парами и их концентрации и равны:
ni=pi
Здесь n и p - концентрация электронов и дырок соответственно, индексом “ i ” обозначают свойство, относящееся к собственному полупроводнику.
Примесные полупроводники содержат атомы посторонних элементов, встроенные в кристаллическую решетку. Примеси специально вводят в полупроводник для изменения его электрофизических свойств (этот процесс называется легированием). В примесных полупроводникахконцентрации электронов и дырок могут отличаться на много порядков.
Примеси бывают донорные, акцепторные и нейтральные.
Для четырех валентных элементарных полупроводников, таких как германий и кремний, донорными примесями являются атомы пятивалентных элементов, таких как фосфор P, мышьяк As, сурьма Sb, акцепторными – атомы трехвалентных элементов: бор B, индий In, галлий Ga, алюминий Al.
Встраиваясь в решетку, атомы пяти валентных элементов образуют четыре связи с ближайшими соседями, пятый электрон оказывается лишним. Он не участвует в образовании химической связи и слабо связан с атомом примеси, легко отрывается от него и становится свободным. Например, P®P++e- В узле решетки остается положительно заряженный ион примеси. Он жестко закреплен в решетке и не может перемещаться по кристаллу. В полупроводнике с донорной примесью основными носителями заряда являются электроны. Его называют полупроводником с электронной проводимостью или полупроводником n -типа.
При введении трех валентного атома у него не хватает одного электрона для образования четырех связей. Недостающий электрон может быть захвачен у соседнего атома, у которого образуется дырка. Атом примеси превращается в отрицательный ион, например, In®In-+h+ (h+ - дырка). В полупроводнике с акцепторной примесью основными носителями заряда являются дырки и его называют полупроводником с дырочной проводимостью или полупроводником p -типа.
Нейтральные примеси не изменяют концентрацию носителей заряда.