Розділ 6. Напівпровідникові матеріали.

1. Основні властивості напівпровідників.

1. Загальні відомості про напівпровідники.

2. Електропровідність напівпровідників.

3. Суть електроної і дірчастої провідності напівпровідників.

4. Електронно-дірчастий перехід у напівпровідниках.

5. Методи визначення типу електропровідності напівпровідників.

6. Вплив факторів на провідність напівпровідників.

1. Напівпровідники за питомим опором, який при кімнатній температурі лежить в межах 10^-6 – 10⁹ Ом см, займають проміжне положення між провідниками і діелектриками. Напівпровідники мають ряд характерних тільки для них властивостей, що різко відрізняються від провідників:

• у великому інтервалі температур їх питомий опір зменшується, тобто вони мають негативний температурний коефіцієнт питомого опору;

• при введенні в напівпровідник дуже малої кількості домішок їх питомий опір різко змінюється;

• напівпровідники чутливі до різного роду зовнішніх впливів – світла, ядерного випромінювання, електричного і магнітного полів, тиску і т.д.

Напівпровідникові властивості має цілий ряд матеріалів – природних і синтетичних, органічних і неорганічних, простих і складних за хімічним складом. Напівпровідниками є складні з'єднання різних елементів таблиці Д.І. Менделєєва.

Напівпровідникові матеріали, що використовуються на практиці, можуть бути поділені на прості напівпровідники (елементи, германій, кремній, бор, фосфор і т.д.), напівпровідникові хімічні з'єднання (з'єднання різних груп таблиці Менделєєва, наприклад, SiC, GaАs, CdS, ZnSe і т.д.) і напівпровідникові комплекси (наприклад, керамічні напівпровідники: тирит, силіт і ін.).

Виготовлені з напівпровідникових матеріалів прилади мають ряд переваг: великий термін служби, малі габарити і маса, простота і надійність конструкції, велика механічна міцність (не бояться трясіння і ударів), споживання малої потужності і мала інерційність, економічність при масовому виробництві.

2. Згідно із зонною теорією електропровідності напівпровідники відрізняються малою шириною забороненої зони. Завдяки чому під впливом поглинання деякої кількості енергії окремі збуджені електрони можуть бути перекинуті через заборонену зону в зону провідності, що викликає ефект електронної провідності. На місці електронів, що покинули заповнену зону, залишаються вільні місця – "електронні дірки". Місце цих дірок займатимуть інші електрони заповненої (валентної) зони. Таким чином, вільне місце – дірка буде переміщатися у напрямі електричного поля, створюючи ефект руху позитивного заряду.

Електропровідність чистих напівпровідників носить в основному електронний характер; ефект дірчастої електропровідності, еквівалентної електропровідності позитивними зарядами, виражений слабко.

Така особливість приводить до виняткової чутливості провідності напівпровідників до різних домішок, включаючи надлишок або нестачу атомів одного з елементів, утворюючих напівпровідникові хімічні з'єднання: кисню в оксидах, вуглецю в карбідах, сірки в сульфатах і т.д.

Як і в металах, електричний струм в напівпровідниках пов'язаний з дрейфом носіїв заряду. Але якщо в металах наявність вільних електронів обумовлена самою природою металевого зв'язку, то поява носіїв заряду в напівпровідниках визначається рядом факторів, найважливішими з яких є чистота матеріалу і температура. Залежно від ступеня чистоти напівпровідники підрозділяються на власні і домішкові.

Напівпровідник, в якому в результаті розриву зв'язків утворюється рівна кількість вільних електронів і дірок, називається власним. У кристалі власного напівпровідника кожному електрону в зоні провідності відповідає одна дірка, залишена ним у валентній зоні. В цьому випадку вільний електрон має енергію, більшу за ту, яку він мав у зв'язаному стані, на величину не менше енергії ширини забороненої зони. Оскільки при кожному акті збудження у власному напівпровіднику одночасно створюються два носії заряду протилежних знаків, та загальна кількість носіїв заряду буде в два рази більше числа електронів у зоні провідності.

Напівпровідник, що має домішки, називається домішковим, а провідність, створена введеною домішкою, носить назву домішкової провідності. Поняття домішок тут досить широке, мова йде не тільки про наявність у даній речовині атомів абсолютно сторонніх речовин (чужих атомів), але про надлишок або нестачу атомів одного з елементів, створюючих даний клас хімічних з'єднань: кисню в оксидах, вуглецю в карбідах, сірки в сульфітах і т.п. Сильний вплив домішок на провідність напівпровідників викликаний зміною енергетичного спектру. При цьому можливо два випадки:

1. якщо домішка є хімічним елементом більш низької групи періодичної таблиці, ніж сам напівпровідник, то він створює додаткові незайняті енергетичні рівні, близькі до рівнів зайнятої зони;

2. якщо домішкою є елемент більш високої групи періодичної таблиці, то вона створює додаткову зайняту енергетичну зону, близьку до основної незайнятої зони.

У першому випадку домішка називається акцепторною – приймаючою, в другому випадку донорною – даючою. Значення цих термінів полягає у такому: за наявності акцепторної домішки через малу ширину забороненої зони між основною зайнятою зоною і незайнятою зоною домішок легко здійснювати перехід електронів із зайнятої зони в зону домішок. У результаті цього в зайнятій зоні утворюється «дірка», переміщення якої відповідає переміщенню позитивних носіїв струму; тому таку електропровідність називають «дірчастою», або електропровідність типу р (позитивною – позитивною). За наявності донорної домішки електрони з домішкової зони легко переходять в основну зону провідності, створюючи ефект звичайної електронної провідності типу п (негативної – негативної).

3 Напівпровідник, що має домішки, називається домішковим, а провідність, створена введеною домішкою, носить назву домішкової провідності.

Якщо в напівпровідник IV групи (кремній або германій) ввести елемент V групи таблиці Менделєєва, наприклад миш'як, то атому домішки для завершення ковалентних зв'язків з атомами основної речовини необхідні чотири валентні електрони. П'ятий електрон атома домішки в ковалентному зв'язку не бере участь. Зі своїм атомом він не зв'язаний силою кулонівської взаємодії. Енергія цього зв'язку не велика. Оскільки при кімнатній температурі теплова енергія ~ 0,03 еВ, то очевидно, що при кімнатній температурі відбуватиметься іонізація домішкових атомів миш'яку внаслідок відриву п'ятого валентного електрона, який стає вільним. Разом з іонізацією домішки може відбуватися і іонізація атомів основної речовини. Але в області температур нижче тієї, при якій має місце значна власна провідність, число електронів, відірваних від домішок, буде значно більше кількості електронів і дірок, що утворилися у результаті розриву ковалентних зв'язків. Через це переважаючу роль у провідності кристала гратимуть електрони, і тому вони називаються основними носіями заряду, а дірки – неосновними.

Такий напівпровідник називається електронним або п- типу, а домішка, що віддає електрони, носить назву донорної.

Якщо тепер у напівпровідник IV групи таблиці Менделєєва ввести елемент III групи, наприклад алюміній, то всі три валентні зони електрона домішкового атома братимуть участь в утворенні ковалентних зв'язків, один з чотирьох зв'язків з найближчими атомами основної речовини виявиться незавершеним. У незаповнений зв'язок біля атома алюмінію за рахунок теплової енергії може перейти електрон від сусіднього атома основного елемента. При цьому утворюються негативний іон алюмінію і вільна дірка, що переміщається по зв'язках основної речовини і, отже бере участь у провідності кристала. Домішка, захоплююча електрони, називається акцепторною. Для утворення вільної дірки за рахунок переходу електрона від атома основної речовини до атома домішки потрібне значно менше енергії, ніж для розриву ковалентних зв'язків кремнію або германію. Через це кількість дірок може бути значно більше кількості вільних електронів, і провідність кристала буде дірчаста.

У такому напівпровіднику основними носіями заряду будуть дірки, а неосновними електрони.

Напівпровідник з акцепторною домішкою носить назву дірчастого напівпровідника або типу р .

4 Основним елементом структури більшості типів напівпровідникових приладів є електричний перехід – перехідний шар у напівпровідниковому матеріалі між двома зонами із різними типами електропровідності або різними значеннями питомої електропровідності, причому одна з областей може бути металом. Електричний перехід між двома областями напівпровідника, одна з яких має електропровідність р-типу, а інша п-типу, називають електронно-дірчастим переходом або р-п-переходом.

Створити р-п-перехід механічним з'єднанням двох напівпровідників з різним типом електропровідності неможливо, електронно-дірчасті переходи одержують шляхом введення в напівпровідник донорної або акцепторної домішок так, щоб одна частина напівпровідника мала електронну, а інша – дірчасту електропровідність

Особливе значення отримала в електротехніці одностороння електропровідність пластинки, що складається з двох зон із різними типами електропровідності (р і п). Цей ефект називається вентильним. На цьому принципі зоснована дія напівпровідникових вентилів. На рисунку 6.1 на електроди, на які може бути подана певна різниця потенціалів, накладені торці пластинки (показані штрихуванням). Без створення електричного поля за рахунок наданих на електроди потенціалів на межі між пластинками з різними типами електропровідності в так званому р-п-переході утворюються тонкий запірний шар порядку 10-5 см, через який не проходять ні електрони, ні дірки. Механізм утворення цього запірного шару зводиться до такого фізичного процесу. В пластинці з електропровідністю типу р концентрація дірок більше, ніж в зоні з електропровідністю типу п; в останній є підвищена концентрація електронів. Завдяки цьому відбувається дифузія дірок і електронів із однієї області в іншу, що приводить до появи у р-п-переході прикордонного негативного заряду в зоні р і позитивного заряду в зоні п. Ці заряди створюють внутрішнє дифузійне поле Ед, що припиняє дифузію дірок і електронів через зону дії цього поля – через запірний шар (рисунок 6.1,а).

р п р п

+ -

Ед Ед

а) Е в)

р п р п

- + - +

Ед Ед

Е б) Е г)

Рисунок 6.1 – Принцип дії напівпровідникового вентиля.

а) – ідеальний р-п-перехід при відсутності зовнішньої напруги (пунктиром показаний запираючий шар); б) – ідеальний р-п-перехід запертий; в) – через р-п- перехід проходить великий прямий струм; г) – реальний р-п- перехід запертий, проходить маленький зворотній струм за рахунок неосновних носіїв

При подачі до електродів різниці потенціалів такої полярності, як на рисунку 6.1,б, створюване ними поле збігається із дифузійним полем, р-п- перехід залишається замкнутим – струм проходити не буде. При подачі потенціалів протилежного знака (рисунок 6.1,в) зовнішнє поле буде направлено проти дифузійного, внаслідок чого через р-п- перехід вільно проходитимуть електрони і дірки, через пластину піде струм, р-п- перехід буде відкритий.

У реальних напівпровідниках у порівнянні з цією теоретичною картиною буде така відмінність: завдяки наявності неосновних носіїв (у р-зоніі деякої кількості електронів у п-зоні деякої кількості дірок) у замкнутому стані через р-п- перехід при різниці потенціалів на електродах здійснюватиметься слабке проникнення електронів і дірок, буде деяка залишкова провідність, яка обумовлює слабкий зворотний струм (рисунок 6.1,г)

При одному р-п- переході, як показано на рисунку 6.1, одержують некеровані вентилі (діоди); при двох зв'язаних між собою переходах одержують керовані системи – транзистори. Можливо отримання і складніших керованих систем.

На рисунку 6.2 показана залежність між струмом, що проходить через р-п-перехід, і зовнішньою напругою, яка називається вольт-амперною характеристикою.

I

Рисунок 6.2 – Вольт-амперна характеристика

електронно-дірчастого переходу

Is – струм насичення,

U – прикладена напруга

Uобр Is 0 Uпр

Основна галузь застосування напівпровідників:

1. електричні вентилі різної потужності на різні частоти;

2. некеровані і керовані транзистори;

3. нелінійні опори;

4. термоопори – термістори;

5. фотоопори;

6. фотоелементи;

7. термоелектричні генератори.

5. Гальваномагнітними ефектами в напівпровідниках називають такі явища, які виникають при одночасній дії на напівпровідник електричного і магнітного полів.

Всі гальваномагнітні ефекти діляться на поперечні (дія електричного і магнітного полів виявляється на гранях напівпровідника, паралельних електричному і магнітному полям) і поздовжні ( з'являються вздовж зразка).

До поперечних відносять ефект Холу і Енттінсгаузена, до паралельних – зміна опору зразка в магнітному полі і ефект Нернста (подовжня різниця температур).

Розглянемо ефект Холу. Якщо напівпровідник, уздовж якого тече електричний струм, помістити в магнітне поле, перпендикулярне напряму струму, то у напівпровіднику виникне поперечне електричне поле, перпендикулярне струму і магнітному полю. Це явище отримало назву ефекту Холу, а виникаюча поперечна ЕРС – ЕРС Холу.

На рисунку 6.3 зображена пластина напівпровідника п-типу. Електричне поле Е направлено паралельно осі Z, а магнітне поле Н – уздовж осі У. На електрон, що рухається в магнітному полі, діє сила Лоренця, яка відхиляє його в напрямі, перпендикулярному напряму магнітного поля. В результаті електрони нагромаджуватимуться з одного із торців зразка. На протилежній грані створюватиметься позитивний заряд, обумовлений іонами донорної домішки, що не компенсується. Таке накопичення зарядів відбуватиметься до тих пір, поки дія виниклого в результаті такого процесу електричного поля не зрівноважить діючу на електрон силу Лоренця.

Е

Напрям

+ - ЕДС Холу

+ - Ех

+ -

Z + -

X

У напрям

струму Рисунок 6.3.

Оскільки носіями заряду в даному напівпровіднику є електрони, то ЕРС Холу матиме знак мінус. Для напівпровідників р-типу напрям поперечного електричного поля буде протилежний напряму електричного поля напівпровідника п-типу, тобто ЕРС Холу буде позитивна. Цю обставину використовують для визначення типу електропровідності напівпровідника.

Інший метод полягає в нагріванні одного кінця випробовуваного напівпровідника, як показано на рис. 6.4. При цьому, якщо випробовуваний напівпровідник типу р, то в нагрітому кінці, за рахунок витрати зовнішньої теплової енергії, більше число електронів буде перекинуто із заповненої зони на акцепторні рівні домішок у порівнянні з холодним кінцем. З гарячого кінця в холодний почнеться дифузія дірок, і він виявиться зарядженим негативно по відношенню до холодного.

Тх тип р Тг Тх тип п Тг

+ - - +

V V

Тх < Тг

Рисунок 6.4.

У разі випробування напівпровідника типу п в гарячому кінці за рахунок витрати зовнішньої енергії буде звільнена велика кількість електронів, ніж в холодному кінці, і вони почнуть шляхом дифузії розповсюджуватися до холодного кінця, де їх у вільному стані було менше. Внаслідок відходу електронів гарячий кінець заряджається позитивно, а холодний – негативно.

6 Закономірності електропровідності напівпровідників такі:

1. Із збільшенням температури провідність напівпровідників збільшується, що пояснюється збільшенням концентрації носіїв струму, оскільки із збільшенням температури істотно полегшується перекидання електронів із зайнятої зони в незайняту акцепторної домішки або із зайнятої зони донорної домішки в основну незайняту зону.

2. Провідність напівпровідників залежить від напруженості електричного поля, причому збільшення провідності напівпровідника із зростанням напруженості електричного поля викликано полегшенням перекидання електронів тепловим збудженням або на рівні акцепторних, або донорних домішок.

3. Збільшення провідності напівпровідників відбувається при дії на них променистої енергії. Пояснюється це тим, що енергія кванта світла-фотона перевершує ширину забороненої зони навіть більшості чистих напівпровідників.

4. Провідність твердих кристалічних тіл змінюється від деформації унаслідок збільшення або зменшення (розтягування або стиснення) міжатомних відстаней, що приводять до зміни концентрації і рухливості носіїв. Концентрація носіїв може стати менше або більше внаслідок зміни ширини енергетичних зон кристала і зсуву домішкових рівнів. Таким чином, у різних напівпровідників одна і та ж деформація може викликати як збільшення, так і зменшення питомої провідності.