Электрофизические свойства полупроводников

В зависимости от структурных особенностей твердых тел принято различать:

аморфные вещества, не имеющие какой-либо определенной структуры;

поликристаллические вещества, состоящие из отдельных гранул или малых областей. Каждая гранула имеет четко выраженную структуру, однако размеры и ориентация гранул в соседних областях совершенно произвольны;

монокристаллические вещества, атомы которых пространственно упорядочены и образуют трехмерную периодическую структуру, называемую кристаллической решеткой.

Для обеспечения требуемых свойств полупроводниковые устройства и интегральные схемы выполняют из монокристаллов кремния или германия. Германий и кремний имеют такое же кристаллическое строение, как и алмаз. Кристаллическая решетка кремния и германия имеет объемную структуру, но ради наглядности ее можно изобразить плоской, как это сделано на рис. 2.3. В кристаллической решетке четырехвалентного полупроводника, каковыми являются германий и кремний, каждый атом связан с четырьмя соседними атомами с помощью двух валентных электронов по одному от каждого атома. Такая связь называется ковалентной. При ее образовании электрон принадлежит уже не одному, а обоим связанным между собой атомам, т.е. является для них общим. В результате внешний слой электронной оболочки каждого из атомов кристаллической решетки имеет как бы по восемь электронов, т.е. является целиком заполненным, и следовательно, электронная оболочка каждого атома представляет собой устойчивую к внешним воздействиям систему. В таком кристалле все валентные электроны прочно связаны между собой и свободных электронов, которые могли бы участвовать в переносе зарядов, нет. Такую кристаллическую структуру имеют химически чистые (беспримесные) полупроводники при температуре абсолютного нуля, когда они обладают свойствами идеальных диэлектриков.

При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает свободное место (образование в валентной зоне незаполненного энергетического уровня), обладающее положительным зарядом, равным по абсолютному значению заряду электрона. Такое место (вакантное энергетическое состояние), освободившееся в ковалентной связи, носит название дырки. Валентные электроны соседних атомов в присутствии электрического поля могут переходить на эти свободные уровни, создавая дырки в другом месте. Такое перемещение электронов можно рассматривать как движение положительно заряженных фиктивных зарядов – дырок.

Электропроводность, обусловленную движением свободных электронов, называют электронной, а электропроводность, обусловленную движением дырок, – дырочной. При электронной проводимости основными переносчиками заряда являются отрицательно заряженные электроны, поэтому такую проводимость называют проводимостью n-типа (от английского negative – отрицательный). При дырочной проводимости основными переносчиками заряда являются положительно заряженные дырки, поэтому такую проводимость называют проводимостью p-типа (от английского positive – положительный).

У абсолютно чистого и однородного полупроводника при температуре, отличной от 0К, свободные электроны и дырки образуются попарно, т.е. число электронов равно числу дырок. Электропроводность такого полупроводника (собственного), обусловленная парными носителями теплового происхождения, называется собственной.

Процесс образования пары электрон - дырка называют генерацией пары. При этом генерация пары может быть следствием воздействия не только тепловой энергии, но и кинетической энергии движущихся частиц, энергии электрического поля и т.д.

Образовавшиеся в результате генерации пары электрон и дырка совершают хаотическое движение в объеме полупроводника до тех пор, пока электрон не будет захвачен дыркой, а энергетический уровень дырки не будет занят электроном из зоны проводимости. При этом разорванные ковалентные связи восстанавливаются, а носители заряда – электрон и дырка – исчезают. Процесс восстановления разорванных валентных связей называют рекомбинацией.

В технике полупроводников широкое применение находят полупроводники, у которых часть атомов в узлах кристаллической решетки замещена атомами вещества с другой валентностью. Такие полупроводники называют примесными. С четырехвалентными германием и кремнием используют пятивалентные (мышьяк, сурьма, фосфор) и трехвалентные (бор, алюминий, индий, галлий) примеси.

В случае пятивалентной примеси (рис. 2.4) четыре валентных электрона примесного атома совместно с четырьмя электронами соседних атомов основного вещества образуют ковалентные связи, а пятый валентный электрон оказывается «лишним» в кристаллической решетке. Энергия ионизации этого электрона намного меньше ширины запрещенной зоны чистого полупроводника. В результате даже при комнатной температуре «лишние» электроны легко освобождаются от своих атомов, переходя в зону проводимости. При этом в узлах кристаллической решетки образуются положительно заряженные ионы атомов примеси, которые, в отличие от дырок, являются неподвижными. Полупроводники, электропроводность которых обеспечивается благодаря избытку свободных электронов, называют полупроводниками n-типа, а примеси, их создающие,– донорными. Электроны в полупроводнике n-типа называют основными, а дырки – неосновными носителями зарядов.

При введении трехвалентной примеси (рис. 2.5) в одной из ковалентных связей каждого примесного атома отсутствует электрон (связь r на рис. 2.5). Валентные электроны примеси расположены на энергетическом уровне, находящемся вблизи от зоны валентных электронов собственного полупроводника. Поэтому электроны валентной зоны собственного полупроводника легко захватываются трехвалентными атомами примеси, образуя устойчивую восьмиэлектронную оболочку, и превращают атом примеси в отрицательный ион (на рис. 2.5 показано, что электрон S из соседнего атома занимает место в недостающей ковалентной связи). На месте ушедшего электрона образуется дырка, которая добавляется к собственным дыркам, порожденным термогенерацией. При этом в полупроводнике концентрация дырок превысит концентрацию свободных электронов собственной электропроводности. Следовательно, в полупроводнике будет преобладать дырочная проводимость. Полупроводники, электропроводность которых обеспечивается благодаря избытку свободных дырок, называют полупроводниками p-типа, а примеси их создающие,– акцепторными. Дырки в полупроводнике p-типа называют основными, а электроны – неосновными носителями зарядов.