2. Електрофізичні властивості напівпровідників.

Принцип дії напівпровідникових приладів заснований на використанні властивостей напівпровідників. Напівпровідники займають проміжне положення між провідниками і діелектриками. До напівпровідників відносяться елементи IV групи періодичної системи елементів Д. И. Менделєєва, які на зовнішній оболонці мають чотири валентних електрони. Типові напівпровідники — Ge (германій) і Si (кремній).

Чисті напівпровідники кристалізуються у вигляді решітки (рис. 1а). Кожний валентний зв'язок містить два електрони, оболонка атома має вісім електронів, і атом перебуває в стані рівноваги. Щоб «вирвати» електрон в зону провідності, необхідно затратити велику енергію.

Чисті напівпровідники мають високий питомий опір (від 0,65 Ом*м до 10⁸ Ом*м). Для зниження високого питомого опору чистих напівпровідників до них вводять домішки. Такий процес називається легуванням, а відповідні напівпровідникові матеріали - легованими. В якості легуючих домішок застосовують елементи III і V груп періодичної системи елементів Д.И. Менделєєва.

Елементи III групи мають три валентних електрони, тому при утворенні валентних зв'язків один зв'язок виявляється тільки з одним електроном (рис.1б). Такі напівпровідники володіють дірковою електропровідністю, тому що в них основними носіями заряду є дірки. Під діркою розуміють місце, не зайняте електроном, якому привласнюється позитивний заряд. Такі напівпровідники також називаються напівпровідниками р-типу, а домішка, завдяки якій в напівпровіднику виявився недолік електронів, називається акцепторною.

Елементи V групи мають п'ять валентних електронів, тому при утворенні валентних зв'язків один електрон виявляється зайвим (рис. 1в). Такі напівпровідники мають електронну електропровідність, тому що в них основними носіями заряду є електрони. Вони називаються напівпровідниками n-типу, а домішка, завдяки якій в напівпровіднику виявився надлишок електронів, називається донорною.

Рис. 1. Фрагмент решітки: а) чистого напівпровідника; б) напівпровідника з акцепторними домішками; в) напівпровідника з донорними домішками.

Питомий електричний опір легованого напівпровідника істотно залежить від концентрації домішок. При концентрації домішок 10²⁰ ÷ 10²¹ на 1 див³ речовини він може бути знижений до 5*10^-6 Ом*м для германію і 5*10^-5 Ом*м для кремнію.

3. р-n-перехід та його властивості, ВАХ р-n-переходу.

Основне значення для роботи напівпровідникових приладів має електронно-дірковий перехід, що називають р-n-переходом (область на межі двох напівпровідників, один із яких має діркову, а інший -електронну електропровідність).

На практиці р-n-перехід одержують введенням до напівпровідника додаткової легуючої домішки. Наприклад, при введенні донорної домішки в певну частину напівпровідника р-типа в ньому утвориться область напівпровідника n-типу, що межує з напівпровідником р-типу.

Схематично утворення р-n-переходу при зіткненні двох напівпровідників з різними типами електропровідності показане на рис. 2.

До зіткнення в обох напівпровідниках електрони, дірки, іони були розподілені рівномірно (мал. 2а).

Рис. 2. Утворення р-n-переходу: розподіл носіїв заряду

в напівпровідниках з різними типами електропровідності

до зіткнення (а); після зіткнення (б)

При зіткненні напівпровідників у прикордонному шарі відбувається рекомбінація (возз'єднання) електронів і дірок. Вільні електрони із зони напівпровідника n-типу займають вільні рівні у валентній зоні напівпровідника р-типу. В результаті поблизу границі двох напівпровідників утвориться шар, позбавлений рухливих носіїв заряду, так званий запираючий шар, який володіє високим питомим опором. Товщина запираючого шару l звичайно не перевищує декількох мікрометрів.

Розширенню запираючого шару перешкоджають нерухомі іони донорних і акцепторних домішок, які утворюють на границі напівпровідників подвійний електричний шар. Цей шар визначає контактну різницю потенціалів ∆φ_к на границі напівпровідників (рис. 3). Виникає різниця потенціалів, яка створює в запираючому шарі електричне поле напруженістю Е_зап. Дане поле перешкоджає як переходу електронів з напівпровідника n-типу до напівпровідника р-типа, так і переходу дірок до напівпровідника n-типу. В той же час електрони можуть вільно рухатися з напівпровідника р-типу до напівпровідника n-типу, як і дірки з напівпровідника n-типу в напівпровідник р-типу. Таким чином, контактна різниця потенціалів перешкоджає руху основних носіїв заряду і не перешкоджає руху неосновних носіїв заряду. Однак при русі через р-n-перехід неосновних носіїв (дрейфовий струм I_др) відбувається зниження контактної різниці потенціалів, що дозволяє деякій частині основних носіїв, які володіють достатньою енергією, перебороти потенційний бар'єр, обумовлений контактною різницею потенціалів. З'являється дифузійний струм I_диф, що спрямований назустріч дрейфовому струму I_др, тобто виникає динамічна рівновага, при якому I_др = I_диф.

Якщо до р-n-переходу прикласти зовнішню напругу U_обр, що створює в запираючому шарі електричне поле напруженістю Е_вн, що збігається по напрямку з полем нерухомих іонів напруженістю Е_зап, (рис. 4а), то це призведе до розширення запираючого шару, так як носії заряду уйдуть від контактної зони. При цьому опір р-n-переходу великий, струм через нього малий, так як обумовлений рухом неосновних носіїв заряду. В цьому випадку струм називають зворотним I_обр, а р-n-перехід - закритим.

При протилежній полярності джерела напруги (рис. 4б) зовнішнє поле спрямоване назустріч полю подвійного електричного шару, товщина запираючого шару зменшується. Опір р-n-переходу різко знижується і виникає порівняно великий струм. В цьому випадку струм називають прямим I_пр, а р-n-перехід - відкритим.

Рис. 3. Утворення контактної різниці потенціалів на границі напівпровідників різних типів електропровідності

Рис. 4. р-n-перехід у зовнішньому електричному полі:

а) до р-n-переходу прикладена зворотна напруга;

б) до р-n-переходу прикладена пряма напруга.

На рис. 5 показана вольт-амперна характеристика р-n-переходу. Пробій р-n-переходу пов'язаний з тим, що при русі через р-n-перехід під дією електричного поля неосновні носії заряду здобувають енергію, достатню для ударної іонізації атомів напівпровідника. В переході починається лавиноподібне розмноження носіїв заряду, що приводить до різкого збільшення зворотного струму через р-n-перехід при майже незмінній зворотній напрузі. Цей вид електричного пробою називають лавинним. Звичайно він розвивається у відносно широких р-n-переходах, які утворюються в слаболегованих напівпровідниках.

У сильнолегованих напівпровідниках ширина запираючого шару менша, що перешкоджає виникненню лавинного пробою, так як рухомі носії не здобувають енергії, достатньої для ударної іонізації. В таких напівпровідниках можливе виникнення ефекту Зенера, коли при досягненні критичної напруженості електричного поля в р-n-переході за рахунок енергії поля з'являються пари носіїв електрон - дірка та істотно зростає зворотний струм р-n-переходу.

1 - Е_вн< Е_зап, I_пр малий;

2 - Е_вн> Е_зап, I_пр визначається тільки опором напівпровідника;

3 - р-n-перехід закритий; I_обр визначається рухом неосновних носіїв зарядів;

4 - U_обр> U_{обр max} ; р-n-перехід пробитий; I_обр різко збільшується.

Пунктиром показана характеристика сильнолегованих напівпровідників, що відрізняється формою ділянки 1 і відсутністю ділянки 3, що пов'язано з впливом квантово-механічного тунельного ефекту.

Рис. 5. Вольт-амперна характеристика р-n-перехода

Для електричного пробою характерна оборотність, яка полягає в тому, що початкові властивості р-n-переходу повністю відновлюються, якщо знизити напругу на р-n-переході. Завдяки цьому електричний пробій використовують в якості робочого режиму в напівпровідникових діодах.

Якщо температура р-n-переходу зростає в результаті його нагрівання зворотним струмом і недостатнього тепловідводу, то підсилюється процес генерації пар носіїв заряду. Це приводить до подальшого збільшення зворотного струму і нагрівання р-n-переходу, що може викликати руйнування переходу. Такий процес називають тепловим пробоєм. Тепловий пробій руйнує р-n-перехід.

У сильнолегованих напівпровідниках може виникати квантово-механічний тунельний ефект, який полягає в тому, що при дуже малій товщині запираючого шару основні носії можуть переборювати замикаючий шар без зміни енергії. Це призводить до зростання струму на даних ділянках.

Закритий р-n-перехід має електричну ємність, що залежить від його площі та ширини, а також від діелектричної проникності запираючого шару.

Властивості р-n-переходу широко використовуються в напівпровідникових приладах.