1.Полупроводниковые материалы. Собственная и примесная электропроводности.
К полупроводникам относятся материалы, которые при комнатной температуре имеют удельное электрическое сопротивление от 10-5 до 1010 Ом*см (в полупроводниковой технике принято измерять сопротивление 1 см3 материала). Наиболее часто используются кремний, арсенид галлия, селен, германий, разные оксиды, сульфиды, нитриды и карбиды. В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается. На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь — это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются лишние электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью n — 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости. Акцепторная примесь — это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником р-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью п = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».
Схема с примесью донорных атомов
Схема с примесью акцепторных атомов
Схема собственной электропроводности
2. Электронно-дырочный переход и его свойства. Переход металл-полупроводник.
Если одна часть кристалла полупроводника имеет проводимость p–типа, а другая n–типа, то на границе между ними возникает p–n (электронно-дырочный) переход. Полупроводники p– и n–типа нейтральны. В месте их разделения П электроны диффундируют из области n–типа в область p–типа оставляя положительные ионы +ρ, а дырки – из области p–типа в область n–типа, оставляя отрицательные ионы -ρ. Между двойным слоем ионов действует поле EСОБ, создающее энергетический барьер. Некомпенсированные заряды ионов примесей в полупроводнике создают контактную разность потенциалов UK между p– и n–областями (~ 0,5 В). Чем выше потенциал, тем меньшее количество свободных носителей заряда могут его преодолеть, так как для этого требуется большая энергия. Навстречу диффузионному прямому току IПР направлен обратный ток не основных носителей зарядов, вызванный термогенерацией, IОБР: электронов из p– в n–область и дырок из n– в p–область, для которых потенциал UK не является препятствием. Когда IПР уменьшится из-за роста UK и станет равным IОБР, увеличение UK прекратится. Рис.1- потенциальный барьер в р-n переходе
Два типа контакта Ме-полупроводник: 1).выпрямляющие (диоды с барьером Шотки); 2).омические (т.е. подчиненные закону Ома) – не выпрямляющие – необходимые для контакта полупроводниковые приборы с проводами (коммутацией), подвода и отвода управляемых токов и напряжений. Если вероятность заполнения энергетического уровня в полупроводнике меньше, чем в металле, то при соприкосновении (контакте) часть электронов Ме перейдет в полупроводник. Это характерно для полупроводника «р». В результате в полупроводнике у границы число дырок уменьшится, обнажатся заряженные ионы «А-›› и возникшее на контакте поле притормозит следующие электроны. Это похоже на поле в n-p переходе, но возникший потенциал поменьше, заряженный слой тоньше. Для n-полупроводника заполненные уровни с электронами лежат выше, чем в Ме, и в контакте часть их стечет в металл. Донорные ионы D+ в полупроводнике создадут поле, втягивающее электроны назад. Зона проводимости изогнется вверх. Барьер на границах тоже возникает. Реально на прижимном контакте это сделать нельзя, на игольчатом или напыленном в вакууме – можно. Оба типа контакта имеют слой, обедненный основными носителями. Энергетическая зонная диаграмма контакта металл-полупроводник р-типа: а — металл; б - полупроводник p-типа; в - контакт металл – полупроводник.
16
17