Лекция 1. Полупроводниковые материалы, конструкция и свойстваp-nперехода

1.1. Полупроводниковые материалы

К полупроводникам принято относить вещества, атомы которых имеют четыре валентных электрона на внешней электронной оболочке. Удельное электрическое сопротивление чистых полупроводниковых материалов высокое и составляет у германия (Ge)= 60 Омсм, у кремния (Si)= 310⁵Омсм. Собственная проводимость полупроводников обусловлена явлением термогенерации, то есть появления свободных носителей зарядов под воздействием температуры (с ростом температуры образуется больше свободных носителей зарядов). В полупроводниках образуются заряды двух типов: отрицательные электроны и положительные «дырки». Однако ток собственной проводимости весьма мал, поэтому полупроводниковые материалы в «чистом» виде практически не используются.

Для увеличения тока проводимости в полупроводник добавляют примеси, от валентности которых зависит, какие заряды будут преобладать.

Добавление пятивалентной примеси (фосфора Р, сурьмы Sbили мышьякаAs) позволяет получитьэлектроннуюпроводимость: четыре электрона атома примеси образуют ковалентные связи с атомами полупроводника, а пятый валентный электрон оказывается избыточным (рис. 1.1). Он слабо связан с атомом примеси, может легко покинуть свою орбиту и участвовать в создании тока проводимости. Атом примеси, от которого оторвался электрон, превращается в положительно заряженный ион, неподвижно закреплённый в кристаллической решётке. Полупроводник, легированный пятивалентной примесью (донором), называется полупроводникомn-типа.

Рис. 1.1. Кристаллическая структура с пятивалентным атомом примеси

Добавление трёхвалентной примеси (бора B, индияInили алюминияAl) позволяет получить «дырочную» проводимость. Три валентных электрона каждого атома примеси образуют только три ковалентные связи, а для четвёртой ковалентной связи, необходимой для образования устойчивой кристаллической решётки, атом примеси «забирает» электрон у четвёртого атома полупроводника, который превращается в положительно заряженную «дырку» (рис. 1.2). Сам атом примеси становится отрицательно заряженным неподвижным ионом. Привлекая валентные электроны полупроводника, атомы примеси увеличивают концентрацию «дырок» в объёме вещества, поэтому полупроводник, легированный трёхвалентной примесью (акцептором), называется полупроводникомp-типа.

Рис. 1.2. Кристаллическая структура с трёхвалентным атомом примеси

Число атомов примеси мало по сравнению с числом атомов полупроводника, однако проводимость получившегося сплава резко возрастает, так как концентрация основных носителей зарядов, получающихся от атомов примеси (электронов в полупроводнике n-типа и дыроквp-типа), весьма высока. При температуре даже 0⁰С практически все атомы примеси ионизированы.

1.2. Получение односторонней проводимости

Во введении было отмечено, что электроника, как отрасль техники, началась с открытия односторонней проводимости в вакуумном диоде. Поэтому и при создании полупроводниковых приборов сначала стремились получить у них одностороннюю проводимость. Цель была достигнута соединением двух пластин полупроводника с разным типом проводимости (рис. 1.3). Рассмотрим, какие процессы происходят при таком соединении.

На границе соединения слоёв с разным типом проводимости положительные ионы донорной примеси слоя nпритягивают отрицательные ионы акцепторной примеси слояp. В результате в областиp-nперехода (х) увеличивается концентрация ионизированных атомов примеси. Однако положительные ионы донорной примеси слояnтакже отталкивают «дырки» слояp, и наоборот, отрицательные ионы акцепторной примеси слояpотталкивают электроны слояn.

Рис. 1.3. Распределение зарядов внутри полупроводников с разным типом проводимости

Получилось, что соединение пластин вызвало перемещение зарядов, не изменив при этом абсолютного значения общего заряда, который как был, так и остался равным нулю: .

Если теперь к получившейся структуре, состоящей из двух слоёв nиpи переходах между ними, подключить источник внешнего напряжения, можно убедиться в том, что такая структура обладает односторонней проводимостью.

При прямой полярностивнешнего источника (+ к слоюp, - к слоюn) через открытыйp-nпереход будет проходить прямой ток значительной величины. Однако прохождение тока начнётся только тогда, когда внешнее напряжение превысит внутреннюю разность потенциалов (пороговое напряжениеU_пор), которое определяется концентрацией ионизированных атомов примеси областих p-nперехода. Величина порогового напряжения зависит от материалов исходного полупроводника и примесей. Обычно для германияU_пор0,2 В, для кремнияU_пор0,4…0,5 В.

При обратной полярностивнешнего источника (к слоюp, + к слоюn) через закрытыйp-nпереход будет проходить обратный ток весьма малой величины (в 10³…10⁵раз меньше прямого тока открытого перехода). Величина обратного тока будет слабо зависеть от величины обратного напряжения, но будет зависеть от температуры, увеличиваясь примерно в два раза на каждые 10⁰С прироста температуры. Однако при превышении допустимой величины обратного напряжения напряжённость электрического поляв областих может превысить допустимую электрическую прочность для данного материала, и обратный ток начнёт резко возрастать. Это явление исследовал американский физик Кларенс Мэлвин Зенер (Clarence Melvin Zener). В его честь величина обратного напряжения, допустимая для полупроводникового материала, называется напряжением Зенера.

Зависимость тока через p-nпереход от величины приложенного напряжения называется вольтамперной характеристикой (ВАХ). Примерный вид ВАХ представлен на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Вольтамперная характеристика p-nперехода

На рисунке отмечен максимально допустимый прямой ток I_{пр.макс}, при превышении которого происходит перегрев полупроводниковой структуры из-за рассеивания на ней тепла, а также напряжение Зенера, при котором наступает резкое возрастание обратного тока.

По ВАХ можно определить сопротивление p-nперехода при прямом и обратном смещении. Различают статическое и динамическое сопротивление.

Статическое сопротивление определяется по закону Ома для абсолютных значений напряжения и тока

прямое ; обратное; (1.1)

а динамическое (дифференциальное) сопротивление для приращений напряжения и тока

прямое ; обратное. (1.2)