Главная | Обратная связь

Электропроводность полупроводников. Электронные и дырочные полупроводники. Основные и неосновные носители зарядов. Токи в полупроводниках (диффузионный и дрейфовый)

 

Полупроводники́ — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). В полупроводниках запрещённой зоной называют область энергий, отделяющую полностью заполненную электронами валентную зону от незаполненной зоны проводимости. Шириной запрещённой зоны называется разность энергий между дном (нижним уровнем) зоны проводимости и потолком (верхним уровнем) валентной зоны.

В полупроводниковой электронике обычно используются кремний (Si), герма­ний (Ge) и арсенид галлия (GaAs). Ширина запрещенной зоны при абсолютной температуре Т=300 К у германия 0,66 эВ, кремния 1,12эВ и арсенида галлия 1,4 эВ.

Беспримесный (чистый) полупроводник без дефектов кристаллической структу­ры называют собственным полупроводником. При температуре абсолютного нуля (T=0 К) в таком полупроводнике все энергетические уровни валентной зоны заполнены валентными электронами, а в зоне проводимости нет электронов. По мере увеличения температуры растет энергия колебательного движения атомов кристаллической решетки и увеличивается вероят­ность разрыва ковалентных (парных) связей атомов, приводящего к образованию свободных электронов, энергия которых соответствует уровням зоны проводимости. Отсутствие одного электрона в ковалентной связи двух соседних атомов, или «вакан­сия», эквивалентно образованию единичного положительного заряда, называемого дыркой.

Если в собственный четырехвалентный кремний (или германий) ввести атом пятивалентного элемента, например фосфора (Р), сурьмы (Sb) или мышьяка (As), то че­тыре из пяти валентных электронов введенного атома примеси вступят в связь с че­тырьмя соседними атомами Si (или Ge) и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов, а пятый электрон оказывается слабо связанным с ядром атома примеси. Этот «лишний» электрон движется по орбите значительно большего размера и легко отрывается от примесно­го атома, т.е. становится свободным. При этом неподвижный атом превращается в положительный ион. Свободные электроны «примесного» происхождения добавля­ются к свободным электронам исходного собственного полупроводника, поэтому электрическая проводимость полупроводника при большой концентрации примеси становится преимущественно электронной. Такие примесные полупроводники назы­ваются электронными или п-типа. Примеси, обусловливающие электронную проводимость, называют донорными.

Если в собственный полупроводник, например кремний, ввести примесный атом трехвалентного элемента, например бора (В), галлия (Ga) или алюминия (Аl), то все валентные электроны атома примеси включатся в ковалентные связи с тремя из четырех соседних атомов собственного полупроводника. Для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки примесному атому не хватает одного элек­трона. Им может оказаться один из валентных электронов, который переходит от ближайших атомов кремния. В результате у такого атома кремния появится «вакансия», т.е. дырка, а неподвижный атом примеси превратится в ион с единичным отрицательным зарядом. Дырки примесного происхождения добавляются к собственным дыркам, так что при большой концентрации примеси проводимость полупроводника становится преимущественно дырочной. Такие примесные полупроводники называют дырочными или р-типа. Примеси, обеспечивающие получение боль­шой концентрации дырок, называют акцепторными.

В собственном полупроводнике концентрации электронов и дырок одинаковы. В примесных полупроводниках они отличаются на много порядков, поэтому носите­ли заряда с большей концентрацией называют основными, а с меньшей – неосновными. В полупроводнике n-типа основные носители – электроны, а в полу­проводнике p-типа – дырки.

Значения концентраций свободных электронов и дырок устанавливаются (состо­яние равновесия) в результате действия двух противоположных процессов: процесса генерации носителей (прямой процесс) и процесса рекомбинации электронов и ды­рок (обратный процесс).

В общем случае ток в полупроводнике обусловлен дрейфо­вым и диффузионным движением носителей заряда – электронов и дырок. Поэтому плотность тока представляется суммой четырех компонентов:

где индексы «др» и «дф» указывают на дрейф и диффузию.

Дрейфовым движением называют направленное движение носителей под действием напряженности электрического поля.

Плотность дрейфового тока в соответствии с общим опреде­лением

(1)

где n, p – концентрации, и – дрейфовая скорость электронов и дырок, пропорци­ональная напряженности электрического поля Е:

(2)

Коэффициенты и называют подвижностью электронов и дырок.

Эти формулы часто записывают в виде

(3)

где , – удельные электрические проводимости, вы­званные электронами и дырками.

Диффузионные компоненты плотности тока определяются градиентами концентраций подвиж­ных носителей, т.е.

(4)

где и – коэффициенты диффузии электронов и дырок, завися­щие от материала полупроводника.

При диффузии носители перемещаются через выбранное сече­ние из области, где их концентрация больше, в область, где она меньше. Существует пропорциональность между коэффициентами диф­фузии и подвижностью, называемая соотношением Эйнштейна:

(5)

где

(6)

называется температурным или тепловым потенциалом. При T=З00 К =0,026 В.

 

Элект­ронно-дырочный переход: структура, контактная разность потенциа­лов φ_к. Прямое напряжение и прямой ток, режим инжекции. Обратное напряжение и обратный ток, режим экстракции зарядов. Вольт-ам­перная характеристика идеального p-n перехода

 

Электрическим переходом называют переходный слой между областями твердого тела с различными типами электропроводности (n-полупроводник, р-полупроводник, металл, диэлектрик) или обла­стей с одинаковым типом электропроводности, но с различными значениями удельной проводимости. Чаще всего используется электрический переход между полупроводниками n- и р-типа, назы­ваемый эпектронно-дырочным переходом или р-n-переходом. Пе­реходами с одинаковым типом электропроводности являются элект­ронно-электронные ( ) и дырочно-дырочные ( ) переходы. Знак «+» отмечает область с большей концентрацией примеси: в первом случае доноров, во втором акцепторов. Широкое примене­ние получили переходы металл-полупроводник (МП).

Структурой любого полупроводникового прибора принято назы­вать последовательность расположения областей с различными электрофизическими свойствами. Полупро­водники с двумя типами примеси называют компенсированными.