1.1.2 Внутренняя структура полупроводников.

Полупроводники являются тем материалом, на свойствах которого разработаны элементы, широко применяемые в информационной технике: германий, кремний, арсенид галлия – в качестве основного материала; бор, фосфор, сурьма, индий и другие – в качестве примесей. Полупроводниковые материалы представляют собой кристаллы с атомами расположенными в определенном порядке и образующими кристаллическую решетку. Элементарные ячейки кристаллической решетки германия и кремния состоят из тетраэдров, в четырех вершинах и центре которых расположены атомы. Между атомами кристаллической решетки существуют связи. Они образуются валентными электронами взаимодействующими не только с ядром своего атома, но и с ядрами соседних атомов. В кристалле германия связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами по одному о т каждого атома. Схематически это показано на рис. 4. Такая связь между атомами называется двухэлектронной или ковалентной. В таком кристалле все валентные электроны прочно связаны между собой и свободных электронов, участвующих в переносе заряда нет. Такую кристаллическую решетку имеют беспримесные полупроводники при температуре абсолютного нуля, являясь при этом идеальными изоляторами.

1.1.3 Собственная проводимость полупроводников.

П од действием внешних факторов (например при нагреве) отдельные электроны приобретают энергию достаточную для освобождения от ковалентных связей. При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает свободное место, обладающее положительным зарядом, равным по абсолютному значению заряду электрона. Такое освободившееся в ковалентной связи место называется дыркой, а процесс образования пары «свободный электрон – дырка» называется генерацией.(рис 5) В дырку может «перескочить» валентный электрон из заполненной ковалентной связи соседнего атома. В результате ковалентная связь в одном атоме восстановится (данный процесс называется рекомбинацией), а в соседнем разрушится образуя дырку. Такое перемещение дырки по кристаллу равносильно перемещению положительного заряда. При отсутствии внешнего электрического поля электроны и дырки перемещаются в кристалле хаотически и тока в полупроводнике нет. Если приложить к кристаллу разность потенциалов, то под действием созданного электрического поля движение дырок становится упорядоченным и противоположным движению электронов, т.е. в кристалле образуется электрический ток. Дырки движутся по направлению силовых линий электрического поля, электроны – против. Соответственно различают два типа проводимости в полупроводнике – электронную ил и проводимость N-типа и дырочную или проводимость Р-типа. В этом случае общий ток І складывается из электронного І_Э и дырочного Iд токов, т.е. I = І_Э + I_Д (1).

Выражения для электронного и дырочного токов.

где: – заряд электрона или дырки; Е – напряженность электрического поля; – подвижность носителя тока, определяемая как отношение скорости перемещения электрона V_Э или дырки V_Д к напряженности электрического поля Е в полупроводнике; N_Э, N_Д – количество электронов и дырок в полупроводнике. Т.к. в случае собственной электропроводности полупроводника число электронов равно числу дырок, т.е. N_Э = N_Д = N, то выражение (1) можно переписать в виде:

.

1.1.4 Примесная проводимость полупроводников

Для создания полупроводниковых приборов применяют полупроводники, у которых часть атомов в узлах кристаллической решетки замещена атомами вещества с другой валентностью. Такие полупроводники получаются путем ведения в кристалл чистого полупроводника соответствующих примесей, и называются примесными. С четырехвалентными германием и кремнием используют пятивалентные (мышьяк, сурьма, фосфор) и трехвалентные (бор, алюминий, индий, галлий) примеси.

В случае пятивалентной примеси (рис. 6а) четыре валентных электрона примесного атома совместно с четырьмя электронами соседних атомов основного вещества образуют ковалентные связи, пятый электрон оказывается «лишним». Такой «лишний» электрон значительно слабее связан со своим атомом и для отрыва его от атома примеси и превращения в свободный носитель заряда требуется меньшее количество энергии, чем для освобождения электрона из ковалентной связи. «Лишние» электроны примеси занимают энергетические уровни W_Д (рис. 6б) расположенные вблизи дна зоны проводимости, находясь на этих уровнях при очень низких температурах. При незначительном повышении температуры «лишние»

электроны получают достаточное количество энергии необходимое для перехода их в зону проводимости. Эту энергию называют энергией активизации примеси. Уход «лишнего» электрона от атома примеси, превращает этот атом в положительный ион. В данном случае положительный ион прочно связан с кристаллической решеткой и не перемещается по кристаллу подобно дырке собственной проводимости. Примеси, увеличивающие в полупроводнике число свободных электронов называют донорными, а полупроводники с электронной проводимостью – полупроводниками n-типа.

В основном материале полупроводника с донорной примесью, как и в чистых полупроводниках, постоянно образуются дырки и электроны собственной проводимости. Но их количество значительно меньше, чем электронов примеси, поэтому в полупроводниках n-типа электроны являются основными носителями тока, а дырки - неосновными. Следовательно в этих полупроводниках дырочный ток много меньше электронного.

П ри введении трехвалентной примеси (рис. 7а), в одной из ковалентных связей каждого примесного атома отсутствует электрон, т.е. образуется дырка. При этом атом индия и смежный с ним атом кремния являются электрически нейтральными. При небольшом тепловом возбуждении электрон одной из соседних ковалентных связей может перейти в незаполненную связь примеси. На внешней орбите атома индия появится «лишний» электрон и атом индия станет отрицательным ионом. В нарушенной связи, откуда электрон перешел в незаполненную связь индия, появится положительный заряд - дырка.

При соответствующей концентрации примесей дырок в кристалле станет много больше чем

электронов и полупроводник приобретет явно варыженную дырочную проводимость. Полупроводник с дырочной проводимостью называют полупроводником р-типа. Примеси, создающие в полупроводнике дырочную проводимость называют акцепторными.

В полупроводниках с акцепторной примесью, дырки - основные носители заряда, электроны - неосновные. Для перехода электрона из ковалентной связи к атому индия, надо затратить значительно меньше энергии, чем для его перехода через запрещенную зону с энергией . Поэтому введение атома индия в решетку кремния приводит к появлению уровня акцептора (примеси) Wа вблизи от потолка валентной зоны (рис. 7б). Уровень акцептора Wа при очень низких температурах остается свободным. При небольшом повышении температуры один из валентных электронов покидает валентную зону занимая уровень примеси и оставляя после себя в валентной зоне свободный уровень - дырку. Энергия , которую необходимо сообщить валентному электрону для перевода его на примесный уровень, называется энергией активизации примеси. Электроны валентной зоны переходят на уровень примеси даже при низких температурах, образуя в валентной зоне большое количество дырок. При этом в зоне проводимости не будет заметного увеличения электронов, т. к. большинство их осядет в дырках примеси, а меньшинство составит ток неосновных носителей полупроводника р- типа.