Полупроводниковые приборы

К полупроводникам относятся вещества и материалы, у которых значения удельного электрического сопротивления ρ_к при комнатной температуре лежит в пределе от

0,65 Ом·м (германий) до 10·⁸ Ом·м (селен).

Известно, что атом представляет собой пространственную структуру, состоящую из протонов (элементарных положительно заряженных частиц) и нейтронов (протоны и нейтроны составляют ядро), а также электронов, вращающихся вокруг ядра по своим орбитам-оболочкам. Всего оболочек может быть до 7 (K, L, M, N, O, P и Q), причем радиусы этих орбит пропорциональны квадрату их номера, а энергия электрона возрастает по мере увеличения номера («квантового числа») оболочки, на которой он находится. Атом нейтрален, когда содержит электронов и протонов одинаковое количество. При потере или при приобретении нескольких электронов атом становится положительным или отрицательным ионом. Неактивный атом содержит на внешней оболочке

8 электронов (например, неон и другие инертные газы). В противном случае элемент стремится вступить в комбинацию другим элементом, чтобы «приобрести» или «отдать» соответствующее число электронов для доведения до 8 количество электронов на внешней оболочке.

Электропроводность любого вещества обусловлена перемещением валентных электронов, осуществляющих перенос электрического заряда. В металле (проводнике) на внешней оболочке 1, 2 или 3 периферийных электрона, которые легко отрываются от атома и, став свободными, в электрическом поле направленно перемещаются, образуя электрический ток. В полупроводнике же все валент­ные электроны прочно связаны с кристаллической решеткой. Пока существует такая связь, эти электроны не могут участвовать в переносе электрического заряда.

Рис.1

Для выяснения механизма электропроводности полу­проводников рассмотрим некоторый объем кристал­лической решетки германия, который (как и кремний) является элементом IV группы Периодической системы элементов Менделеева. На рис. 1 объемная кристал­лическая решетка германия, элементарной геометри­ческой фигурой которой является тетраэдр, представлена в виде плоскостной решетки. В кристалле атомы германия располагаются в узлах кристаллической решетки, их связь с другими атомами осуществляется посредст­вом четырех валентных электронов. Двойные линии между узлами решетки, указывают на ковалентный характер связи, при котором каждая пара валентных электронов принадлежит одновременно двум соседним атомам, при этом возникает связывающая атомы сила.

Такая однородная структура имеет место при абсолютном нуле (-273^оС). При отсутствии в кристалле примесей атомов других элементов и при температуре абсолютного нуля все валентные электроны участвуют в межатомных связях, иначе говоря не могут принимать участия в процессе электропроводности. При более высокой температуре вследствие колебаний атомов некоторые связи могут разрываться, в результате чего возникает пара подвижный электрон-дырка, причем электрон имеет отрицательный заряд, а дырка – равный ему по модулю положительный.

Процесс образо­вания пар электрон — дырка называется генерацией пар. В электрическом и магнитном полях дырка ведет себя как частица с положительным зарядом, равным по значению заряду электрона.

Возникающие носители заряда (электроны и дырки) в течение определенного времени, называемого временем жизни, приобретают некоторую свободу теплового хаотического перемещения, а затем происходит обратный процесс захвата электронов дыр­ками. Процесс исчезновения электрона и дырки называют рекомбинацией.

Таким образом, при температуре выше абсолютного нуля свободный от примесей и однородный кристалл полупроводника, имеющий два типа носителей заряда — электроны и дырки, приобретает способность проводить электрический ток.

Общую электропроводность полупроводника, обуслов­ленную генерацией, перемещением и рекомбинацией пap электрон — дырка, называют собственной электропро­водностью, а сам полупроводниковый кристалл — собственным полупроводником. Собственная электропроводность обычно невелика.

Значительно лучшей электропроводностью обладают примесные полупроводники, причем характер электропроводности зависит от примесного вещества. Для придания полупроводнику электронной или дырочной проводимости и снижения его удельного сопротивления в чистые полупроводники добавляют примесь(легирование), а сам полупроводник называют легированным.

Если в расплав предварительно очищенного германцу внести примесь пятивалентного элемента (например мышьяк или др. элемент V группы таблицы Менделеева), то при остывании расплава образуется кристалл, в некоторых узлах кристаллической решетки которого атомы мышьяка замещают атомы германия (рис. 2).

Рис.2

При этом четыре валентных электрона атома мышьяка, объединившись с четырьмя валентными электронами соседних атомов германия, образуют систему ковалентных связей, пятый же электрон атома мышьяка оказывается избыточным. Эти избыточные электроны могут теперь участвовать в электропроводности полупроводни­ка. В узлах же кристаллической решетки германия, занимаемых атомами примеси, образуются положительно наряженные. Если высвободившиеся избыточные электроны совершают хаотическое движение вблизи своих ионов, то микрообъем метается электронейтральным. При уходе электронов и более удаленные объемы оставшиеся ионы создают и микрообъеме кристалла положительный объемный заряд.

Число электронов в полупроводнике с пяти­валентной примесью превышает число дырок, концент­рация которых в данном случае определяется собствен­ной электропроводностью и поэтому не изменилась. Такой примесный полупроводник с преобладающим числом свободных электронов называют полупроводником с электронной электропроводностью или полупроводником n-типа, а саму примесь, способную отдавать валентные электроны — донорной. Основными носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны, а неосновными — дырки.

Если в расплав кристалла герма­ния добавляется примесь элемента III группы (например, индия), имеющего три валентных электрона (рис. 3), При этом для

Рис.3

комплектования ковалентных связей между атомом индия и соседними атомами германия одного электрона не хватает. Такой примесный полупроводник обладает избыточным числом дырок, так как числа электронов в полупроводнике, по-прежнему, определяется собственной электропроводностью. Примесный полупроводник с преобладающим числом дырок называют полупроводником с дырочной электропроводностью или полупроводником р-типа, сама примесь, добавление которой приводит к образованию избыточного числа дырок — акцепторной. В таком полупроводнике дырки являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными.