3. Основы полупроводниковой электроники

Электронными приборами называют приборы, принцип действия которых основан на управлении потоком заряженных частиц в вакууме, газах, полупроводниках.

Электронные приборы выполняют важнейшую роль в радиоэлектронных цепях. С их помощью осуществляется усиление, генерация, модуляция, детектирование, преобразование частоты, логические операции и другие преобразования сигналов.

В настоящее время наиболее широкое применение нашли полупроводниковые приборы в дискретном исполнении и как элементы интегральных схем.

3.1. Электрофизические свойства полупроводников

По величине удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Так, если для проводников удельное электрическое сопротивлениеОм/см, а для диэлектриковОм/см, то для полупроводников оно лежит в интервалеОм/см. Основной отличительной особенностью полупроводников является отрицательный температурный коэффициент сопротивления (с повышением температуры уменьшается электрическое сопротивление) и сильная зависимость электропроводности от концентрации примесей и других внешних факторов.

Полупроводники составляют наиболее многочисленный класс веществ. К ним относятся химические элементы: бор, углерод, германий, кремний, фосфор, мышьяк, селен, серое олово, теллур, йод. Химические соединения GaAs, CuCl, GeSi и др., большинство минералов и многие органические вещества. В полупроводниковой электронике по своим физико-химическим и механическим свойствам нашли наиболее широкое применение монокристаллы германия и кремния. Их основные характеристики приведены в таблице 3.1.

Германий и кремний имеют кристаллическую структуру с тетраэдрической кристаллической решеткой как у алмаза. На наружной оболочке атомов германия и кремния находятся по четыре валентных электрона, которые в каждом атоме образуют ковалентные связи с четырьмя ближайшими от него атомами, находящимися в вершинах тетраэдра. При рассмотрении процессов, протекающих в полупроводнике, его кристаллическую решетку для наглядности представляют двумерной моделью, как показано на рис. 3.1.

Табл. 3.1

Параметр	Кремний	Германий
Атомный номер	14	32
Электронные оболочки	2, 8, 4	2, 8, 18, 4
Плотность атомов, N , см –3	5ּ1022	4,4ּ1022
Удельное сопротивление, ρi, Омּм	3ּ103	0,6
Диэлектрическая проницаемость, ε, отн. ед.	12	16
Ширина запрещенной зоны, E, эВ	1,12	0,67
Концентрация электронов, ni, (дырок, pi), см-3	2ּ1010	2,5ּ1013
Подвижность электронов, см 2/cВ	1500	3900
Подвижность дырок, см 2/cВ	450	1900
Коэффициент диффузии электронов, Dn, см/с	36	100
Коэффициент диффузии дырок, Dp, см/с	13	45
Диффузионная длина дырок, мм	0,3 ÷ 1,5	0,1 ÷ 0,5

В узлах кристаллической решетки большими кружочками показаны ионы с положительным зарядом +4, которые обозначают ядра атомов вместе с электронами внутренних оболочек. Электроны внешних оболочек атомов показаны черными кружочками. Электроны внешних оболочек соседних атомов образуют ковалентные связи. При температуре абсолютного нуля Т=0 К (рис. 3.1а) все валентные электроны связаны, свободных электронов нет, и полупроводник ведет себя как диэлектрик. При комнатной температуре (Т=300 К) тепловые колебания атомов приводят к тому, что некоторые электроны приобретают энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи (рис. 3.1б). При разрыве ковалентной связи образуется свободный электрон и на месте ушедшего электрона появляется незаполненная связь (дырка – не скомпенсированный положительный заряд, равный по величине заряду электрона). Процесс образования пар электрон – дырка называется тепловой генерацией свободных носителей заряда. Одновременно с генерацией происходит процесс восстановления ковалентных связей, который называется рекомбинацией. На вакантное место, где отсутствует валентный электрон, легко переходит один из электронов с соседней ковалентной связи, что приводит к перемещению дырки по кристаллу. В отсутствие внешнего электрического поля свободные электроны и дырки независимо друг от друга совершают хаотическое движение.

а) б)

Рис. 3.1. Двумерная модель кристаллической решетки идеального Ge и Si:

а) модель ковалентных связей електрона в атомах идеального

полупроводника при T=0 К;

б) модель тепловой генерации электронно-дырочной пары при Т=300 К

Полупроводник без посторонних примесей, который в узлах кристаллической решетки имеет только свои атомы, называют собственным полупроводником. В собственном полупроводнике концентрация свободных электронов и дырокодинакова. Эта концентрация называетсясобственной и при заданной температуре согласно зонной теории твердого тела определяется формулой:

(3.1)

где N – эффективная плотность состояний в зоне проводимости; – ширина запрещенной зоны;k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура. При комнатной температуре концентрация свободных электронов для кремния составляет порядка 10¹⁰ эл/см³, а для германия – 10¹³ эл/см³.

В электронике для придания полупроводнику определенных свойств широко применяют легирование – процесс, в результате которого часть атомов основного вещества в узлах кристаллической решетки замещается атомами другого вещества. Такие полупроводники называют примесными. В качестве примесей для кремния и германия чаще всего используют элементы III группы (бор, алюминий, индий, галлий) и V группы (фосфор, сурьма, мышьяк) периодической системы Менделеева. В большинстве случаев концентрация примесей составляет N_ПР=10¹⁵…10¹⁷ ат/см³.

При легировании 5-валентной примесью четыре электрона примесного атома образуют ковалентные связи с четырьмя электронами соседних атомов основного вещества. Пятый валентный электрон примеси слабо связан с атомом и может быть оторван от него за счет энергии теплового движения, как показано на рис. 3.2а. Пятивалентная примесь увеличивает количество свободных электронов. Такие примеси называют донорными. При Т=300 К концентрация свободных электронов в

а) б)

Рис. 3.2. Двумерная модель кристаллической решетки примесного Ge и Si:

а) полупроводник с донорной примесью (полупроводник n-типа);

б) полупроводник с акцепторной примесью (полупроводник p-типа)

полупроводнике с донорной примесью значительно превышает концентрацию дырок , поэтому они называютсяполупроводниками с электронной проводимостью или полупроводниками n-типа. В полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными. Положительные ионы донорной примеси прочно связаны с кристаллической решеткой основного вещества и не участвуют непосредственно в создании электрического тока.

При легировании основного четырехвалентного полупроводника трехвалентной примесью для образования ковалентных связей с четырьмя электронами соседних атомов у примесного атома не хватает одного электрона (рис. 3.2б). Недостающий электрон может быть получен от атома основного полупроводника за счет разрыва ковалентной связи. Разрыв ковалентной связи приводит к образованию дырки. Примеси, которые захватывают валентные электроны, называются акцепторными. Захват валентных электронов превращает атомы акцепторной примеси в ионы с отрицательными зарядами, которые прочно связаны с кристаллической решеткой основного вещества и не участвуют непосредственно в создании электрического тока. За счет захвата электронов акцепторной примесью концентрация дырок в полупроводнике значительно превышает концентрацию свободных электронов . Поэтому такие полупроводники называютсяполупроводниками с дырочной проводимостью или полупроводниками p-типа. В полупроводнике p-типа дырки являются основными носителями заряда, а электроны – неосновными.

Однородный полупроводник в отсутствие внешних воздействий электрически нейтрален. Протекание электрического тока в полупроводнике возможно за счет приложенного электрического поля (дрейфовый ток) или за счет неоднородной концентрации носителей заряда (диффузионный ток). Поскольку в полупроводнике имеются два вида носителей заряда, то электрический ток в нем имеет две составляющие – электронную и дырочную .