Носители заряда в примесных полупроводниках

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 4Следующая ⇒

При производстве полупроводниковых приборов вместо чистых полупроводников используют примесные полупроводники. Введение примеси связано с необходимостью создания в полупроводнике преимущественно электронной либо дырочной электропроводности и увеличения электрической проводимости. В связи с этим различают соответственно электронные (n-типа) и дырочные (р-типа) полупроводники. Для получения полупроводника n-типа в чистый полупроводник вводят примесь, создающую в полупроводнике только свободные электроны. Вводимая примесь является «поставщиком» электронов, в связи с чем ее называют донорной.

Для германия и кремния, относящихся к IV группе Периодической системы элементов, донорной примесью служат элементы V группы (сурьма, фосфор, мышьяк), атомы которых имеют пять валентных электронов. При внесении такой примеси атомы примеси замещают атомы полупроводника в отдельных узлах кристаллической решетки. Четыре электрона каждого атома примеси участвуют в ковалентной связи с соседними атомами исходного материала, а пятый электрон оказывается значительно слабее связанным со своим атомом (рис. 16). Для его превращения в свободный носитель заряда требуется меньшее количество энергии, чем для освобождения электрона из ковалентной связи. В результате приобретения дополнительной энергии «избыточный» электрон покидает атом и становится свободным, а атом примеси превращается в положительный ион.

Рис. 16. Возникновение свободного электрона в кристалле полупроводника n-типа

В условиях достаточно большой концентрации атомов примеси их ионизация создает некоторую концентрацию в кристалле полупроводника свободных электронов и неподвижных положительных ионов, локализованных в местах расположения атомов примеси. Слой полупроводника остается электрически нейтральным, если освободившиеся электроны не уходят за пределы слоя. При уходе электронов под действием каких-либо факторов в другие слои кристалла оставшиеся положительные ионы донорной примеси создают в данном слое нескомпенсированный положительный объемный заряд.

Концентрация свободных электронов в полупроводнике n-типа определяется преимущественно концентрацией введенной примеси , а не собственными электронами валентной зоны. В соответствии с этим концентрация электронов в полупроводнике -типа существенно выше концентрации дырок , образующихся в результате перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Электроны в таком типе полупроводника являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями заряда.

В полупроводниках р-типа введение примеси направлено на повышение концентрации дырок. Задача решается использованием в качестве примеси элементов III группы Периодической системы (индий, галлий, алюминий, бор), атомы которых имеют по три валентных электрона. При наличии такой примеси каждый ее атом образует только три ковалентные связи с соседними атомами исходного полупроводника (рис. 17). Четвертая связь остается незаполненной. Недостающий валентный электрон принимается от одного из соседних атомов кристаллической решетки. Требуемая для такого перехода энергия невелика. Переход электрона приводит к образованию дырки в ковалентной связи соседнего атома, откуда ушел электрон и превращению атома примеси в неподвижный отрицательный ион. В результате за счет примеси достигается повышение концентрации дырок в полупроводнике. Атомы примеси, принимающие валентные электроны соседних атомов, называют акцепторными, а примесь – акцепторной.

Рис. 17. Возникновение дырки в кристалле полупроводника p-типа

В условиях достаточно большой концентрации атомов акцепторной примеси в кристалле полупроводника создается некоторая концентрация подвижных дырок и неподвижных отрицательных ионов. В нормальных условиях число дырок в полупроводнике p-типа остается равным числу отрицательных ионов, в слое сохраняется зарядная нейтральность. Если вошедшие из других слоев электроны заполнят некоторое число существующих дырок, в данном слое появится нескомпенсированный отрицательный объемный заряд, создаваемый ионами акцепторной примеси.

Концентрация дырок в валентной зоне определяется преимущественно концентрацией внесенной акцепторной примеси , а не дырками, возникающими при термогенерации носителей заряда за счет преодоления валентными электронами запрещенной зоны. В соответствии с этим концентрация дырок в полупроводнике p-типа существенно больше концентрации свободных электронов . Дырки в этом случае являются основными носителями заряда, а электроны – неосновными.

Необходимая для создания полупроводников n и p-типа примесь вносится в количестве, при котором концентрация основных носителей заряда существенно (на два-три порядка) превышает концентрацию неосновных носителей заряда. В зависимости от концентрации введенной примеси удельная проводимость примесного полупроводника возрастает по сравнению с чистым полупроводником в десятки и сотни тысяч раз.

Характерной особенностью примесных полупроводников является то, что произведение концентраций основных и неосновных носителей заряда при данной температуре является постоянной величиной и определяется соотношением

(11)

где собственные концентрации носителей заряда в чистом полупроводнике.

Зависимость концентрации носителей заряда от температуры накладывает ограничения на температурный диапазон применения полупроводниковых приборов. Рабочий диапазон температур характеризуется существенным превышением в примесных полупроводниках кноцентрации основных носителей заряда над неосновными ( и ) при концентрации основных носителей заряда, близкой к концентрации внесенной примеси ( и ).

При температурах, превышающих верхний температурный предел, число носителей заряда, создаваемых в кристалле при термогенерации за счет преодоления валентными электронами запрещенной зоны, резко возрастает. При этом может оказаться, что электрическая проводимость в полупроводнике будет определяться не концентрацией внесенной примеси, а концентрацией собственных носителей заряда. Верхний температурный предел зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника и составляет для германия 75…85 ⁰С, а для кремния 150…170 ⁰С. При этом преимущество кремния над германием очевидно.

При температуре ниже рабочего диапазона основную роль в создании тока играют основные носители заряда, уменьшение концентрации которых за счет уменьшения количества ионизированных атомов примеси вызывает уменьшение электрической проводимости. Нижний температурный предел работы полупроводниковых приборов составляет – 55… – 60 ⁰С.

1.2. Физические процессы в р-n-переходе

Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (р-n-переход), представляющий собой переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, а другая — дырочную.

1.2.1. Образование p-n- перехода.

p -n- переход в равновесном состоянии

Равновесным называют такое состояние перехода, когда отсутствует внешнее напряжение. Представим два полупроводника: один имеет дырочную, а другой – электронную электропроводность. В дырочном полупроводнике (p-типа) присутствуют в равном количестве подвижные положительные дырки (основные носители заряда) и неподвижные отрицательные ионы (рис. 18, а). Кроме того, в малом количестве имеются неосновные носители заряда – электроны (на рис. 18 не показаны), обусловленные процессом термогенерации.

В электронном полупроводнике (n-типа) присутствуют в равном количестве неподвижные положительно заряженные ионы и свободные отрицательно заряженные электроны (рис. 18, а). В малом количестве присутствуют неосновные носители заряда – дырки.

Будем считать, что рассматриваемые полупроводники соединили и они стали единым кристаллом (рис. 18, б). Тогда по закону диффузии электроны из n-области будут перемещаться в p-область, рекомбинируя с дырками, а на месте ушедших из n-области электронов будут образоваться вакантные положительно заряженные области – дырки.

Рис. 18. Физические процессы в p-n-переходе в равновесном состоянии

Дырки, образовавшиеся в n-области, рекомбинируют с электронами этой области. Вследствие ухода основных носителей заряда из приграничных областей и их рекомбинации с носителями заряда противоположного знака концентрации основных носителей заряда ( и ) в обеих приграничных областях, суммарная ширина которых , снижаются. В результате в пограничной области образуются некомпенсированные заряды неподвижных ионов (рис. 18, в). Между этими зарядами возникает контактная разность потенциалов и электрическое поле , которое препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины р- и n-областей через р-n-переход. Таким образом, область некомпенсированных неподвижных зарядов со своим электрическим полем и называется р-n-переходом. p-n-переход характеризуется двумя основными параметрами:

1) в ысота потенциального барьера (контактная разность потенциалов) – . Это разность потенциалов в переходе, обусловленная градиентом концентрации носителей заряда, выражается в единицах напряжения – вольтах (В). Этот параметр показан на зонной энергетической диаграмме p-n-перехода на рис. 19.

Рис. 19. Энергетическая диаграмма p-n -перехода

Иными словами, – энергия, которой должен обладать свободный заряд, чтобы преодолеть потенциальный барьер:

(12)

где k – постоянная Больцмана;

е – заряд электрона;

Т – температура;

N_а и N_d – концентрации акцепторов и доноров в дырочной

и электронной областях соответственно;

р_р и р_n – концентрации дырок в р- и n-областях соответственно;

n_i –собственная концентрация носителей заряда в нелигированном полупроводнике;

– температурный потенциал.

При температуре Т=27 ⁰С =0.025 В; для германиевого перехода =0, 3–0.5 В; для кремниевого перехода =0, 6–0.8 В. Различие в значениях для кремния и германия объясняется меньшей концентрацией неосновных носителей заряда (при одинаковой температуре и одинаковых внесенных примесей);

2) ширина p-n-перехода (см. рис. 18) – это приграничная область, обеднённая подвижными носителями заряда, которая располагается в p и n областях:

, (13)

, , (14)

отсюда

, (15)

где относительная диэлектрическая проницаемость материала полупроводника;

ε ₀ – диэлектрическая постоянная свободного пространства.

Толщина электронно-дырочных переходов имеет порядок (0, 1÷ 10) мкм. Если , то и p-n-переход называется симметричным, если , то и p-n-переход называется несимметричным, причём он в основном располагается в области полупроводника с меньшей концентрацией примеси.

В равновесном состоянии (без внешнего напряжения) через р-n-переход движутся два встречных потока зарядов (протекают два тока). Это дрейфовый ток неосновных носителей заряда и диффузионный ток, который связан с основными носителями заряда. Так как внешнее напряжение отсутствует и тока во внешней цепи нет, то дрейфовый и диффузионный токи взаимно уравновешиваются и результирующий ток равен нулю:

. (16)

Это соотношение называют условием динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа в изолированном (равновесном) p-n-переходе.

1.2.2. p -n- переход при внешнем напряжении

Внешнее напряжение нарушает динамическое равновесие токов в p-n-переходе, p-n-переход переходит в неравновесное состояние. В зависимости от полярности напряжения, приложенного к областям p-n-перехода, возможно два режима работы.

1.Прямое смещение p-n- перехода. p-n-переход считается смещённым в прямом направлении, если положительный полюс источника питания подсоединен к р-области, а отрицательный – к n-области (рис. 20).

При прямом смещении напряжения и направлены встречно, результирующее напряжение на p-n-переходе убывает до величины –U. Это приводит к тому, что напряженность электрического поля убывает и возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Кроме того, прямое смещение уменьшает ширину p-n-перехода, т. к. . Ток диффузии, ток основных носителей заряда, становится много больше дрейфового. Через p-n-переход протекает прямой ток:

(17)

При протекании прямого тока основные носители заряда n-области –электроны – переходят в p-область, где становятся неосновными. В n-области вместо ушедших электронов образуются дырки, которые в этой области также являются неосновными носителями заряда. Диффузионный процесс введения основных носителей заряда в область, где они становятся неосновными, называется инжекцией, а прямой ток – диффузионным током, или током инжекции. Для компенсации неосновных носителей заряда накапливающихся в p и n-областях, во внешней цепи возникает электронный ток от источника напряжения, т. е. принцип электронейтральности сохраняется.

Проще говоря, в p-n-переходе при прямом смещении протекает следующий процесс. Электрический ток – это упорядоченное движение свободных носителей заряда. Исторически сложилось, что за направление тока принимают направление, в котором перемещаются (или могли перемещаться) носители положительного заряда, т. е. от «+» к «–». Фактически же, в металлах носители заряда – электроны – перемещаются в противоположном направлении – от «–» к «+». Таким образом, электроны поступают в n-область перехода со стороны отрицательного полюса источника. Под действием сил электрического притяжения электроны стремятся скомпенсировать положительный заряд, образованный дырками в близлежащем к p-n-переходу p-слое полупроводника. Ширина p-n -перехода уменьшается, возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Электроны из n-области начинают перемещаться в p-область, замещая дырки, а на месте ушедших из n-области электронов образуются вакантные положительно-заряженные области – дырки. Процесс носит направленный характер – электроны диффундируют через p-n-переход в сторону положительного полюса источника, а дырки – в противоположную сторону. Физически данный процесс можно сравнить с перемещением людей через болото по кочкам. Люди в данном случае выступают в роли электронов, а кочками являются дырки.

Рис. 20. p-n-переход, смещённый в прямом направлении

Таким образом, в цепи возникает ток, причем в области полупроводника он образуется двумя носителями заряда – электронами и дырками.

При увеличении U ток, протекающий через полупроводник, резко возрастает:

(18)

где температурный потенциал;

ток насыщения (тепловой ток), создаваемый неосновными носителями заряда.

Ток может достигать больших величин т. к. связан с основными носителями, концентрация которых велика.

2.Обратное смещениеp-n перехода. Возникает, когда к р-области приложен минус, а к n-области – плюс внешнего источника напряжения (рис. 21).

Такое внешнее напряжение U включено согласно . Оно увеличивает высоту потенциального барьера до величины ; напряженность электрического поля возрастает; ширина p-n-перехода возрастает, т. к. ; процесс диффузии полностью прекращается, и через p-n- переход протекает дрейфовый ток – ток неосновных носителей заряда.

Иными словами, при обратном смещении p-n перехода под действием электрических сил электроны, находящиеся в n-области, перемещаются от границы p-n-перехода в сторону положительного полюса источника, а дырки в p-области – в сторону отрицательного полюса. В результате диффузия основных носителей заряда прекращается и через p-n- переход протекает дрейфовый ток неосновных носителей заряда (электроны в p-области и дырки в n-области), которые в небольших количествах присутствуют в соответствующих областях (рис. 21). Физически это можно сравнить со скоплением на одной стороне болота кочек (дырок), а на другой – людей (электронов). Люди (электроны) не могут перебраться через болото (p-n-переход).

Рис. 21. p-n-переход, смещённый в обратном направлении

Небольшой ток, связанный с неосновными носителями заряда, которые возникают за счет термогенерации, называют тепловым током и обозначают – I₀, т. е.

(19)

Этот ток мал по величине, т. к. связан с неосновными носителями заряда, концентрация которых мала. Таким образом, p-n-переход обладает односторонней проводимостью.

Величина обратного тока сильно зависит от температуры окружающей среды, материала полупроводника и площади p-n-перехода. Температурная зависимость обратного тока определяется выражением

(20)

где номинальная температура;

фактическая температура;

температура удвоения теплового тока:

Тепловой ток кремниевого перехода много меньше теплового тока перехода на основе германия (на 3-4 порядка). Это связано с материала. В этом еще одно преимущество кремния над германием. С увеличением площади перехода возрастает его объем, а следовательно, возрастает число неосновных носителей, появляющихся в результате термогенерации, и тепловой ток.

Итак, главное свойство p-n-перехода – это его односторонняя проводимость, которая обусловливается тем, что прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. А концентрация основных носителей заряда на несколько порядков превышает концентрацию неосновных носителей.

⇐ Предыдущая 1 234 Следующая ⇒