1. Общие сведения о полупроводниках. Собственная и примесная проводимость полупроводников.

Полупроводниковые приборы - это такие электронные приборы, в которых движение электронов и изменение концентрации электронов (протекание тока) происходит в кристаллическом твердом теле - кристалле полупроводника. полупроводниковым материалам (полупроводникам) относят огромную группу материалов, удельное сопротивление () которых находится в пределах от 10^-3- 10^-2 до 10⁸ 0мсм (у металлов  = 10^-6...10^-4 Омсм, у изоляторов  = 10⁸...10²² Омсм. В настоящее время в полупроводниковых приборах практически используются лишь германий (Ge) и кремний (Si), значительно реже - арсенид галлия (GaAs.)

Собственная проводимость. При температуре абсолютного нуля свободных электронов нет, т.е. полупроводник является изолятором.. При нагревании кристалла некоторые электроны вырываются из ковалентной связи (рис.1.3, в). На месте каждого ушедшего электрона осталась незаполненная ковалентная связь и нескомпенсированный положительный заряд ядра атома. Такое состояние условно называют дыркой. Дырка является свободным положительным зарядом и может участвовать в проведении электрического тока. Процесс образования свободных электронов и дырок при нагревании называют тепловой генерацией пар электрон-дырка (термогенерацией). Проводимость, обусловленную тепловой генерацией электронов и дырок в чистом полупроводнике, называют собственной проводимостью. Интенсивность тепловой генерации сильно зависит от температуры.

Свободные электроны и дырки совершают тепловые движения по кристаллу в течение некоторого времени, называемого временем жизни (_n и _p). Затем свободный электрон и дырка встречаются и рекрмбинируют (взаимоуничтожаются). В стационарном режиме устанавливается равновесие между тепловой генерацией и рекомбинацией при определенной концентрации свободных носителей, называемой равновесной концентрацией. Каждому значению температуры кристалла соответствует своя равновесная концентрация собственных электронов n_i и дырок p_i. Средние времена жизни электронов и дырок в собственном полупроводнике равны (_n = _p).

Примесная проводимость

Проводимость, обусловленную наличием примеси в полупроводнике, называют примесной проводимостью.

В зависимости от свойства примеси возможна примесная проводимость двух типов: электронная и дырочная.

Электронная проводимость. Полупроводник n-типа

Если в чистый кристаллическийGe добавить ничтожную долю атомов 5-валентного элемента, например сурьмы Sb , то атомы Sb замещают в узлах кристаллической решетки атомы Ge. Четыре валентных электрона Sb заменяют в ковалентных связях электроны Ge и будут прочно связаны с атомом. Пятый электрон Sb не участвует в ковалентных связях и оказывается слабо связанным с ядром Sb. Энергия связи пятого электрона с ядром, называемая энергией активации, во много раз меньше энергии ковалентной связи и составляет всего 0,01 эВ. Концентрация примеси должна быть настолько малой, чтобы энергетического взаимодействия между атомами примеси не было.

При нагревании кристалла слабо связанные электроны легко отрываются от атомов Sb и становятся свободные. На месте атома Sb остается положительный ион + Sb, но он не является дыркой, так как сам он передвигаться не может и отбирать электроны из ковалентных связей он тоже не может (все ковалентные связи заполнены). На энергетической диаграмме электроны с уровня примеси "забрасываются" в зону проводимости и на месте атомов Sb остаются положительные атомы, отмеченные кружком со знаком "+" внутри. Дырок в валентной зоне при этом не образуется. Таким образом, атом 5-валентной примеси дает один свободный электрон и не дает при этом дырки. Такую примесь называют донорной примесью (т.е. отдающей электрон), или просто донором. Проводимость, обусловленную электронами, называют электронной проводимостью, а полупроводник с электронной проводимостью – полупроводником n-типа. Поскольку энергия активации доноров ∆W_А мала, то уже при комнатной температуре (300 К) все слабо связанные электроны стали свободными. Величина проводимости целиком определяется концентрацией примеси донора N_g и в некотором диапазоне температур остается постоянной. В этом и заключается основное свойство примеси.

Электроны в полупроводнике n-типа называют основными носителями и обозначают n_n, а дырки именуют неосновными носителями и обозначают p_n. При этом концентрация электронов n_n определяется концентрациями донорных электронов n_g и собственных электронов n_i: , гдеn_g = N_g.

При комнатной температуре все атомы примеси ионизированы, а концентрация доноров намного превышает концентрацию собственных носителей (N_g » n_i ).

Концентрация же дырок р_n в полупроводнике n-типа ничтожна (р_n « р_i), поскольку вероятность рекомбинации дырки с электроном резко возрастает при большой концентрации электронов n_n, это приводит к резкому уменьшению времени жизни дырок _p в полупроводнике п-типа. Поскольку скорость исчезновения дырок и электронов одинакова, то время жизни электронов _n при этом резко увеличивается.

Дырочная проводимость. Полупроводник p-типа. При добавлении в чистый кристаллический германий 3-валентных элементов, например индия In (бора, алюминия и др.), атомы In заполняют только три ковалентные связи из четырех. Одна ковалентная связь остается незаполненной. В эту незаполненную ковалентную связь могут легко переходить электроны из соседних ковалентных связей. Необходимая для этого энергия, тоже называемая энергией активации, составляет около 0,01 эВ.

При температуре абсолютного нуля (Т=0K) полупроводник - изолятор(рис.1.5,а). Разрешенный незаполненный энергетический уровень In с валентными электронами находится в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны (элементы, не имеющие энергетического незаполненного уровня в этом месте, не могут быть акцепторами). Концентрация должна быть настолько мала, чтобы атомы In не взаимодействовали и энергетический уровень примеси не расщеплялся.

При нагревании электроны из ковалентных связей германия могут перескакивать в незаполненные ковалентные связи примеси In . На месте перескочившего электрона образуется дырка. На энергетической диаграмме перескакивание электронов из ковалентных связей германия в незаполненные ковалентные связи примеси In соответствует переход электронов из валентной зоны на уровень примеси In. Образовавшиеся отрицательные ионы примеси обозначены кружками со знаком " - " внутри на примесном (акцепторном) уровне. На месте ушедших электронов в валентной зоне остались дырки, отмеченные пунктирными уровнями. Таким образом, атом 3-валентной примеси обусловливает появление одной дырки и не дает при этом свободного электрона. Такую примесь называют акцепторной примесью или просто акцептором. Проводимость, обусловленную дырками, именуют дырочной проводимостью, а полупроводник с дырочной проводимостью – полупроводником р-типа. Дырки в полупроводнике р-типа называют основными носителями (концентрацию их обозначают p_p), электроны - неосновными (n_р). При этом концентрация дырок р_p определяется концентрациями акцепторных p_a и собственных p_{i p} дырок:. При комнатной температуре все атомы акцептора ионизированы (p_a=N_a), а концентрация акцепторов намного превышает концентрацию собственных носителей (N_a » p_i). Концентрация же электронов n_p в полупроводнике р-типа ничтожна (n_p « n_i), поскольку вероятность рекомбинации резко возрастает при большой концентрации дырок p_р и равновесие тепловой генерации и рекомбинации устанавливается при меньшей концентрации n_р. В свою очередь, это приводит к резкому уменьшению времени жизни до (на границе перехода с равновеснойр-областью) и искривляются энергетические уровни (зоны) в р-области вниз на величину . В областиp точно так же, как и в области n, за исключением при­граничного слоя, входящего в р-п переход, условия остались не­изменными: концентрация равновесная, полупроводник однородный.