978-5-7996-1186-6_2014

4.2.Собственные и примесные полупроводники

В отличие от металлов, электрический ток в которых связан с наличием свободных электронов, в полупроводниках проводимость определяетсяв первую очередь чистотой материала и температурой.

Со б с т в е н н ы й п о л у п р о в о д н и к – этополупроводник, в котором можно пренебречь влиянием примесей при данной температуре. Согласно зонной теории твердого тела для полупроводников характерно наличие не очень широкой запрещенной зоны на энергетической диаграмме. Она выражает количественно энергетические затраты на разрыв связи и освобождение электронов извалентной зоны. Собственный полупроводникпри абсолютном нулетемператур (0 K) необладает электропроводностью (зона проводимости свободна). При температуре выше 0 K из-за тепловых флуктуаций некоторые электроны могут оказаться в зоне проводимости. При этомв валентной зонеобразуютсядырки. Дырки тоже участвуют в электропроводности за счет своих «эстафетных» переходов под действием приложенного внешнего электрического поля.

Чем больше температура и меньше ширина запрещенной зоны Е, тем выше скорость генерации носителей. Одновременно в полупроводникеидетобратный процесс, называемый рекомбинацией носителей заряда, т. е. возвращение электронов в валентную зону. В результате в полупроводнике устанавливается n–p-равно- весие. Специфика собственного полупроводника в том, что в нем выполняется равенство концентраций электронов (ni )и дырок (pi):

Концентрация носителей в нем определяется выражением

где NC и NB –эффективныеплотности состояния в зоне проводимости и в валентной зоне. График в координатах lnn = f(1/T) пред-

60

ставляет собой прямую линию, тангенс угла наклона которой (tg ) характеризует величину Е. Однако собственный полупроводник

вприборах используют редко.

Пр и м е с н ы м называют полупроводник, электрофизические свойства которого определяют различные примеси. Примеси создают дополнительные уровни в запрещенной зоне. При малой концентрации примесей расстояние между примесными атомами велико, их электронные оболочки не взаимодействуют, и примесные энергетические уровни являются дискретными. Примеси, исходя из своего местонахождения, являются примесями замещения или примесями внедрения.

Примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, называются донорными. Их уровни располагаются в запрещенной зоне вблизи нижнего края зоны проводимости. В таком полупроводнике концентрация электронов превышает концентрацию ды-

рок (ni > pi), поэтому егоназывают полупроводником n-типа. Уровни, расположенные несколько выше валентной зоны, называются

акцепторными, создающие их примеси – также акцепторными. Так как электроны, «заброшенные» на них, не участвуют в проводимости, в таком полупроводнике концентрация дырок превыша-

ет концентрацию электронов (pi > ni), поэтому полупроводник называют полупроводником p-типа.

На поведение примесных атомов влияет их валентность. Примеси замещения, валентность которых больше валентности основных атомов решетки, проявляют свойства доноров, а если их валентностьменьшевалентности основныхатомов, –свойства акцепторов. Так, мышьяк, сурьма, фосфор по отношению к кремнию являются донорами, а алюминий, бор, галлий – акцепторами. Носители, концентрация которых больше, называются основными.

Соотношение ni pi = ni2 называется соотношением действующих масс в полупроводнике для носителей заряда.

61

4.3.Температурная зависимость концентрации носителей заряда

Рассмотримкремний,легированныйдонорной примесью, представив это в координатах lnn = f(1/T) (рис. 4.2).

ln n

9

1/Т

Рис. 4.2. Температурная зависимость концентрации свободных носителей заряда в примесном полупроводнике

Отрезок 1–4 на рисунке характеризует энергию ионизации примеси. Дальнейшееувеличениетемпературыприводитвсеэлектроны примеси в зону проводимости, а для активизации своих валентных электронов энергии еще недостаточно. Участок 4–6 характеризует область истощения примеси, а отрезок 6–9 – область собственной электропроводности.

С увеличением концентрации примеси отмеченные участки кривых смещаются на графике вверх. При этом в полупроводнике могут возникать уже примесные зоны из-за расщепления дискретных примесных уровней. Чем больше концентрация примеси, тем выше температура их истощения.

При достаточно большой концентрации примесей их энергия ионизации может обратиться в нуль, так как примесная зона будет перекрываться зоной проводимости. Такой полупроводник называется вырожденным и считается полуметаллом. Концентрация электронов в таком полупроводникепостоянная вовсем диапазоне

62

примесной электропроводимости(участки3–8–9).Температурнаяза- висимостьудельной проводимости полупроводника похожана температурную зависимость концентрации носителей.

4.4.Подвижность носителей заряда в полупроводниках

Под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретаютнекоторуюскоростьнаправленногодвижения. Отношение средней скорости v к напряженности электрического поля E называется подвижностью :

Различают подвижность электронов n и дырок p. Плотность тока I определяется как

Удельная проводимость равна

В примесных полупроводниках одним из слагаемых в уравнении 4.5 пренебрегают. Как правило, p < n.

Подвижность носителей в полупроводниках может быть больше, чем в металлах. Большая подвижность может быть обусловлена малой массой носителя заряда и большим временем свободного пробега или временем релаксации (время уменьшения тока после снятия электрического поля). Масса носителя в полупроводнике может быть равна массе носителя в металле и даже быть больше. Время релаксации 0 определяется частотой столкновений носителей с узлами кристаллической решетки. С увеличением частоты столкновений уменьшается время релаксации. Частота столкновений носителей с узлами кристаллической решетки в полупроводникахменьше, чем в металлах, а в ионныхкристаллахона несколько больше, чем в атомных кристаллах.

63

4.5.Электрофизические явления

в полупроводниках

4.5.1.Фотопроводимость

Зависимость показателя поглощения от длины волны

или энергии фотонов называется с п е к т р о м п о г л о щ е - н и я в е щ е с т в а. В полупроводниках различают несколько механизмов оптического поглощения. Каждому из них соответствует определенная область спектра (рис. 4.3).

С о б с т в е н н о е п о г л о щ е н и е обусловлено переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. Переходы могут быть прямыми (электроны и дырки имеют одинаковые квазиимпульсы)и непрямыми (в каждом актепоглощенияучаствуют электроны, дырки и фотон, который компенсирует разность импульсов электрона и дырки).

По краю собственного поглощения может быть определена

где гр – граничная длина волны поглощения фотонов, мкм; с – скорость света в вакууме; h – постоянная Планка.

Egопт зависит от температуры:

где b – температурный коэффициент, равный (2 – 6) 10–4 эВ/K. Э к с и т о н н о е п о г л о щ е н и е сопровождается обра-

зованием особого возбужденного состояния электронов – экситонов (n + р).

П о г л о щ е н и е с в е т а н о с и т е л я м и з а р я д а сопровождается переходами электронов и дырок на более высокие уровни.

П р и м е с н о е п о г л о щ е н и е с в е т а сопровождается ионизацией или возбуждением примесных атомов.

64

а

в

б

г

Рис. 4.3. Полный спектр оптического поглощения полупроводника:

а – собственное поглощение; б – экситонное поглощение; в – поглощение света носителями заряда; г – примесное поглощение

Лишь собственное и примесное поглощения генерируют носители заряда и изменяют электрические свойства полупроводника. Поэтому эти механизмы называют ф о т о а к т и в н ы м и. Изменение электрической проводимости полупроводника под воздействием излучения называется ф о т о п р о в о д и м о с т ь ю (фоторезистивный эффект).

Фотопроводимость количественно равна разности проводимости полупроводника на свету и в темноте:

Количество пар носителей заряда, генерированных одним поглощенным фотоном, называют квантовым выходом внутреннего фотоэффекта. В фотоэлектрически активной области квантовый выход равен 1. С возрастанием потока излучения фотопроводимость стремится к насыщению. Спектру оптического поглощения полупроводника соответствуетспектральнаязависимостьфотопроводимости (рис. 4.4).

Фотопроводимость имеет большое практическое значение. Ее используют в различных сферах человеческой деятельности: в приборах и устройствах применяемых в медицине, экологии, военном деле.

65

Примесная

фотопроводимость

пор

Рис. 4.4. Спектральная зависимость фотопроводимости полупроводника

4.5.2.Люминесценция

Люминесценцией называется электромагнитное нетепловое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Вещества, способные люминесцировать, называются л ю м и н о ф о р а м и (кристаллофосфорами, если это кристаллы). Для ее наблюдения вещество нужно возбудить. При люминесценции акты возбуждения и излучения разделены во времени.

В зависимости от вида возбуждения различают фотолюминесценцию (возбуждение светом), катодолюминесценцию (возбуждение электронным лучом), электролюминесценцию (возбуждение электрическим полем).

Фотолюминесценция подчиняется закону Стокса – Ломмеля (максимум спектра излучения всегда смещен поотношению к максимумуспектра поглощения в сторонубольших длин волн). Однако стало известно, что при высокой плотности оптического возбуждения (с использованием лазера) может быть и обратная зависимость. Такиелюминофорыназываютсяантистоксовскими. С ихпомощью можно преобразовать ИК-излучение в видимое излучение.

Примесныеатомы, ответственныеза свечение, называются активаторами люминесценции.

66

Различныевидылюминесценции находятразнообразноепрактическое применение:

–преобразование невидимого излучения в видимое (лампы дневного света УФ-излучение переводят в видимое излучение);

–телевидение(катодолюминесценция), дисплеи компьютеров;

–светодиоды, полупроводниковые лазеры (в основе их работы лежит инжекционная электролюминесценция, которая возникает при включении р–n-перехода в прямом направлении);

–транспаранты – светящиеся схемы, буквы и т. п., в их основе лежит предпробойная электролюминесценция.

4.5.3.Термоэлектродвижущая сила

Как и в металлах, в полупроводниках под действием разности температур на спаях двух материалов возникает разность потенциалов , которую называют термоэлектродвижущей силой (термоЭДС). Относительно большая термоэлектродвижущая сила полупроводников позволяет использовать их в качестве преобразователей тепловой энергии в электрическую. Основой являются термоэлементы, составленные из последовательно включенных полупроводников p- и n-типа. Обратный эффект получил название э ф ф е к т а П е л ь т ь е, используемого для изготовления термоэлектрических холодильников.

4.5.4.ЭффектХолла

Относится к классу гальваномагнитных. Суть его состоит в том, что если пластину полупроводника, по которой проходит электрический ток, поместить в магнитное поле, перпендикулярное току, то на боковых гранях пластины в направлении, перпендикулярном току, возникает электродвижущая сила, или ЭДС (эффект) Холла. Эту величину используют для определения характеристик полупроводников и концентрации носителей. Она лежит в основе приборов для измерения магнитной индукции, бесконтактныхизмерителейтока,анализаторовспектра,модуляторови фазочувствительных детекторов.

67

4.5.5.ЭффектГанна

Заключается в появлении высокочастотных колебаний электрическогополяпривоздействиина полупроводникпостоянного электрического поля высокой напряженности. Для полупроводника GaAs пороговая напряженность поля составляет 0,3 МВ/м. На этом эффекте разработаны приборы, генерирующие частоты в диапазоне до сотен гегагерц.

4.6.Кремний

Кремний пораспространенности в природезанимает второе место после кислорода. Это основной полупроводниковый материал микроэлектроники. На его основе изготавливается до 70 % электронных приборов. Основными областями применения кремния являются:

–интегральные микросхемы (ИМС) с очень малыми размерами для электронной аппаратуры и вычислительной техники;

–биполярные, полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью (ПЗС);

–выпрямительные плоскостные диоды, пропускающие ток

впрямом направлении до 1500 А;

–стабилитроны и тиристоры;

–быстродействующие фотодиоды, работающие в интервале длин волн от 0,3 до 1,1 мкм;

–солнечные батареи;

–детекторы ядерного излучения;

–датчики Холла;

–тензодатчики.

Кремниевыеприборымогутработатьпри температурахдо180°С.

4.6.1.Получение кремния

Исходным сырьем является кремнезем (SiO2), из которогов электрических печах кремний восстанавливают углеродсодержащими материалами. Технический кремний представляет собой

68

мелкокристаллическуюспеченнуюмассу, имеющуюоколо1%примеси. Технология получения кремния полупроводниковой чистоты включает следующие операции:

–превращение технического кремния в легколетучее соединение (в большинстве случаев в трихлорсилан (SiHCl3);

–очистка легколетучего соединения химическими и физическими методами;

–восстановление кремния до металлического состояния;

–проведение окончательной кристаллизационной очистки

ивыращивание монокристалла кремния.

Легколетучим соединением является, как правило, трихлорсилан SiHCl3. Его получают в интервале температур от 300 до400 °С по реакции

Трихлорсилан в обычном состоянии является жидкостью с температурой кипения, равной 32 °С. Очищают ее методами экстракции, адсорбции, ректификации. ДалееSiHCl3 восстанавливают водородом, кремний при этом осаждается в специальных камерах на стержнях-затравках, нагретых до температуры 1300 °С.

Объемные монокристаллы кремния выращивают методом вытягиванияизрасплава и бестигельной зонной плавкой. Первый метод применяется для получения крупных монокристаллов с удельным электрическим сопротивлением меньше 2,5 Ом м, а второй –дляполучениявысокоомныхмонокристаллов с 200Ом м и малым содержанием примесей, особенно кислорода.

При вытягивании из расплава тигель из оптического кварцевого стекла нагревают индукционным током. Скорость вытягивания кристалла составляет примерно 20–40 мкм/с в атмосфере инертного газа или в вакууме. Основным недостатком метода являетсязагрязнениекремниякислородомдоконцентрации от 1023 до 1024 ат./м3, который поступает из кварцевого тигля. При этом протекает реакция

69