1.1. Электрофизические свойства полупроводников
Полупроводники являются тем материалов, на свойствах которого разработаны элементы, широко применяемые в информационной технике: германий, кремний, арсенид галлия — в качестве основного материала; бор, фосфор, сурьма, индий и некоторые другие вещества — в качестве примесей.
В кристаллической решетке четырехвалентного полупроводника, каковыми являются германий и кремний, каждый атом связан с четырьмя соседними атомами с помощью двух валентных электронов по одному от каждого атома. Такая связь называется ковалентной. При ее образовании электрон принадлежит уже не одному, а обоим связанным между собой атомам, т. е. является для них общим (рис. 3, а). В результате внешний слой электронной оболочки каждого из атомов кристаллической решетки имеет как бы по восемь электронов, т. е. является целиком заполненным, а следовательно, электронная оболочка каждого атома представляет устойчивую к внешним воздействиям систему. В таком кристалле все валентные электроны прочно связаны между собой и свободных электронов, которые могли бы участвовать в переносе зарядов, нет. Такую кристаллическую структуру имеют химически чистые (беспримесные) полупроводники при температуре абсолютного нуля, когда они обладают свойствами идеальных изоляторов.
Рис.3. Кристаллическая структура химически чистого полупроводника (а), полупроводника с донорной (б) и акцепторной (в) примесью
Под действием внешних факторов (например, при повышении температуры) отдельные электроны атомов кристаллической решетки приобретают энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей, и могут перейти из валентной зоны в зону проводимости, став свободными. Этот процесс носит вероятностный характер.
При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает свободное место (не занятый электроном энергетический уровень), обладающее положительным зарядом, равным по абсолютному значению заряду электрона. Такое освободившееся в ковалентной связи место называется дыркой, а процесс образования пары «свободный электрон — дырка»—генерацией. В дырку может «перескочить», валентный электрон из заполненной ковалентной связи соседнего атома. В результате ковалентная связь в одном атоме восстановится (этот процесс называют рекомбинацией), а в соседнем разрушится, образуя в нем дырку. Такое перемещение дырки по кристаллу равносильно перемещению положительного заряда.
При отсутствии внешнего электрического поля дырки перемещаются в кристалле хаотически. Если же приложить к кристаллу разность потенциалов, то под действием созданного электрического поля движение дырок становится упорядоченным (так же, как и движение свободных электронов, но в противоположном направлении) и в кристалле возникает электрический ток. Таким образом, проводимость полупроводника обусловлена перемещением как отрицательно заряженных свободных электронов, так и положительно заряженных дырок. Соответственно различают два типа проводимости — электронную, или проводимость N-типа, и дырочную, или проводимость Р-типа.
В химически чистом полупроводнике число дырок всегда равно числу свободных электронов и электрический ток в нем создается одновременным переносом зарядов обоих знаков. Такую электронно-дырочную проводимость называют собственной проводимостью полупроводника. Она зависит от температуры, освещенности, облучения и тому подобных энергетических воздействий на полупроводник.
Для создания полупроводниковых элементов широко применяют полупроводники, у которых часть атомов в узлах кристаллической решетки замещена атомами вещества с другой валентностью. Такие полупроводники называют примесными. С четырехвалентными германием и кремнием используют пятивалентные (мышьяк, сурьма, фосфор) и трехвалентные (бор, алюминий, индий, галлий) примеси.
В случае пятивалентной примести (рис. 3, б) четыре валентных электрона примесного атома совместно с четырьмя электронами соседних атомов основного вещества образуют ковалентные связи, а пятый валентный электрон оказывается лишним.
Даже при комнатной температуре «лишние» электроны легко освобождаются от своих атомов, переходя в зону проводимости. При этом в узлах кристаллической решетки образуются положительно заряженные ионы атомов примеси, которые в отличие от дырок являются неподвижными. Полупроводники, электропроводность которых обеспечивается благодаря избытку свободных электронов, называют полупроводниками N-типа, а примеси, их создающие,— донорными.
Наряду с электронной проводимостью в полупроводнике N-типа могут образоваться и отдельные дырки при генерации пар «свободный электрон — дырка» за счет тепловой энергии. Поэтому электроны в полупроводнике N-типа называют основными, а дырки—неосновными носителями зарядов.
При введении трехвалентной примеси (рис. 3, в) в одной из ковалентных связей каждого примесного атома отсутствует электрон, т. е. образуется дырка. Валентные электроны примеси расположены на энергетическом уровне, находящемся вблизи от зоны валентных электронов собственного полупроводника. Поэтому электроны валентной зоны легко захватываются трехвалентными атомами примеси и дырки перемещаются по кристаллической решетке, являясь основными носителями зарядов. Трехвалентные примеси называют акцепторными, а полупроводники с такой примесью — полупроводниками Р-типа. Подобно предыдущему случаю, за счет тепловой энергии могут генерироваться пары «электрон—дырка», создающие свободные электроны, представляющие в полупроводнике Р-типа неосновные носители.
Проводимость полупроводников N- и Р-типа называют примесной в отличие от собственной проводимости химически чистого полупроводника.