Лекция по теме «Электропроводность полупроводников»

5.Электропроводность полупроводников

5.1. Собственный полупроводник

Вследствие малой ширины (1 эВ) запрещенной зоны полупроводника тепловые колебания атомов способны сообщить валентным электронам энергию, достаточную для перехода из заполненной валентной зоны в свободную зону проводимости. Каждый такой переход приводит к возникновению пары носителей заряда:

— свободного электрона в зоне проводимости;

— дырки-свободного энергетического состояния в валентной зоне (рис.5, I).

Под действием приложенного к кристаллу напряжения электрон проводимости дви­жется «навстречу» электрическому полю, а электрон в валентной зоне занимает свободный уровень, осво­бождая свой уровень для другого электрона. Это мож­но рассматривать как движение положительного за­ряда (дырки) в направлении электрического поля (рис.5,II).

Рис.5. Собственная электропроводность кристаллов

Генерация пар свободных, т. е. способных пере­мещаться под действием приложенного напряжения, зарядов делает кристалл способным проводить элект­рический ток, а электропроводность такого кристалла называется собственной.

Процесс генерации может происходить под действием температуры, света, электрического поля и под действием какого-либо излучения.

Одновременно с образованием пар носителей часть электронов из зоны проводимости спонтанно перехо­дит обратно в валентную зону, излучая кванты энер­гии. Этот процесс называется рекомбинацией пар. При постоянной температуре устанавливается динамическое равновесие, определяющее концентра­цию свободных электронов и дырок (при данной температуре).

Собственный полупроводник – чистый и однородный, количество свободных электронов (n_i) равно количеству дырок (p_i). Энергия Ферми располагается посередине запрещенной зоны. В современной технике для изготовления полупроводниковых кристаллов используют элементы германий и кремний, атомы которых имеют по четыре электрона на внешних валентных оболочках. Кристаллические решетки этих элементов строятся таким образом, что каждый атом связан с соседними двумя ковалентными связями.

Чем выше температура, тем выше концентрация свободных носителей заряда, тем больше собственная электропроводность кристалла.

5.2. Примесный полупроводник

До сих пор мы рассматривали кристаллы, имеющие идеальную структуру, которая в природных кристал­лах практически не встречается.

Реальные кристаллы содержат многочис­ленные дефекты кристаллической решетки, в результате чего возникают новые энергетические уровни, которые могут выхо­дить за пределы валентной зоны и размещаться в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости. Это облегчает переход электронов в зону проводимости.

Дефекты кристаллической решетки вызываются также примесями, когда в структуру кристалла внед­ряются чужеродные атомы, образующие свои энергетические уровни, которые также располагаются в запрещенной энергетической зоне. Взаимодействие примесных атомов приводит к расщеплению примесных уровней в примесные энергетические зоны.

Переход носителей заряда в свободное состояние при наличии примесных уровней существенно облег­чается, так как сокращается участок запрещенной зоны. Прово­димость кристалла возрастает.

Электропроводность, возникающую за счет при­месных атомов, называют примесной. Количество атомов примеси обычно на несколько порядков меньше количества атомов основного эле­мента.

Характе­ром носителей зарядов и значением примесной элект­ропроводности можно управлять, подбирая состав и концентрацию примесей.В качестве примесей, придающих кристаллам германия и кремния требуемые свойства, применяют:

— пятивалентные элементы (сурьма, мышьяк, фосфор),

—  трехвалентные (бор, индий, галлий, алюминий).

В зависимости от этого различают:

— полупроводник с электронной проводимостью (n-типа);

— полупроводник с дырочной проводимостью (p-типа).

1. Примесный полупроводник (n-типа)

На рис. 5(а) изображена кристаллическая решетка германия, в которую «внедрился» атом примеси — пятивалентный атом мышьяка. Четыре электрона валентной оболочки атома мышьяка образуют прочные ковалентные связи с четырьмя соседними атомами германия, а пятый, валентный, электрон мышьяка оказывается «лишним». Размер орбиты, по которой он вращается вокруг ядра атома мышьяка, увеличивается в десятки раз, а связь его с ядром резко уменьшается. Энергия, необходимая для отрыва «лишнего» электрона от атома мышьяка (энергия перехода в зону проводимости), составляет примерно 0,05 эВ. Т.к. ширина запрещенной зоны германия несколько превышает 1 эВ, энергетический уровень электрона мышьяка расположен рядом с зоной проводимости кристалла.

При относительно большой концентрации примесных атомов мышьяка образуется примесная зона,размещенная радом с зоной проводимости, которая может даже перекрыться с энергетической зоной проводимости германия.

а                                                                               б

Рис. 5.а: Замещение в кристаллической решетке атома германия атомом мышьяка.

б: Энергетическая диаграмма кристаллического германия с электронной электропроводностью.

1-зона проводимости;  2- примесная зона; 3-запрещенная зона; 4-валентная зона.

Энергетическая диаграмма кристаллического германия с достаточно высокой концентрацией примеси мышьяка изображена на рис. 5(б).

Так как примесная зона и зона проводимости размещаются рядом, а иногда и перекрываются, уже при небольших температурах значительная часть электронов примесной зоны переходит в зону прово­димости. При каждом таком переходе образуется пара носителей зарядов: электрон в зоне проводимости и дырка в примесной зоне.

Предположим, что к крис­таллу приложено внешнее напряжение, обычно состав­ляющее несколько десятков вольт. Под действием этого напряжения положительно заряженные дырки, переходя с одного энергетического подуровня при­месной зоны на близко расположенный другой под­уровень, практически мгновенно «прижмутся» к дну примесной зоны. Дальнейшее движение дырок, связан­ное с увеличенным значением их энергии, будет не­возможным, так как они не смогут преодолеть широ­кую запрещенную зону.

Что касается электронов, то они беспрепятственно движутся навстречу прило­женному напряжению, переходя в зоне проводимо­сти с одного энергетического подуровня на другой.

Таким образом, в рассмотренном случае прохож­дение тока через кристалл обеспечивается электро­нами. Электропроводность кристалла называется электронной, а примесь, поставляющая электроны в зону проводимости,— донорной. Пятивалентная донорная примесь в четырехвалентном кристалле создает электронную электропроводность.

Кристаллы с электронной электропроводностью, в которых электрический ток создается упорядоченным движением отрицательных зарядов, называются полупроводникамиn-типа  (от negative — отрицательный).

2. Примесный полупроводник (p-типа)

На рис. 6(а) изображена кристаллическая решетка германия, в которую «внедрился» атом примеси — трехвалентный атом индия. Три электрона внешней оболочки атома индия вступают в ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. При этом каж­дый электрон движется вместе с электроном сосед­него атома по орбите, охватывающей два соседних ядра. На четвертой орбите движется только один электрон (хотя в соответствии с принципом Паули их может быть два). Отсутствие другого электрона равноценно присутствию положительного заряда — дырки.

Под действием теплового (или иного) возбужде­ния электроны соседних орбит легко переходят на не­заполненную орбиту, что приводит к хаотическому (или упорядоченному) движению дырок. В рассмат­риваемом случае для перехода валентного электрона на незаполненную соседнюю орбиту требуется при­мерно 0,01 эВ.

Рис. 6.а: Замещение в кристаллической решетке атома германия атомом индия.

б: Энергетическая диаграмма кристаллического германия с дырочной электропроводностью.

1-зона проводимости;  2- запрещенная зон; 3-примесная зона; 4-валентная зона.

Поэтому энергетический уровень дырки размещается в непосредственной близости от валентной зоны кристалла. Взаимодействие атомов примеси приводит к тому, что энергетический уровень размы­вается в примесную зону (рис. 6,б).

Так как примесная и валентная зоны размещаются рядом, а иногда и перекрываются, уже при неболь­ших температурах значительная часть электронов ва­лентной зоны переходит в примесную зону. При каж­дом таком переходе образуется пара носителей заря­дов: электрон в примесной и дырка в валентной зо­нах.

Под дей­ствием приложенного внешнего напряжения электроны практически мгновенно «прижмутся» к потолку примесной зоны и потеряют способность проводить ток, соответствую­щий приложенному напряжению.

Что касается дырок, то они упорядоченно движут­ся по направлению приложенного напряжения, при­обретая добавочную энергию, соответствующую этому напряжению, и беспрепятственно переходя с одного на другой энергетический подуровень широкой ва­лентной зоне.

Таким образом, в рассмотренном случае прохож­дение тока через кристалл обеспечивается дырками. Электропроводность такого кристалла называется дырочной, а примесь, отбирающая электроны из валентной зоны,— акцепторной. Трехвалентная акцепторная примесь в четырехвалентном кристалле создает дырочную электропроводность.

Кристаллы с дырочной электропроводностью, в которых электрический ток создается упорядоченным движением положительных зарядов, называются полупроводниками р— типа(от positive — положи­тельный).