2.3. Свободные носители зарядов в полупроводниках
Изображенная на рис. 2.3 структура соответствует «гипотетическому» случаю для очень чистого полупроводникового монокристалла при очень низкой температуре. С повышением температуры происходит разрыв электронных связей (рис. 2.5), и часть электронов становится свободной, т. е. электронами проводимости. Такой же процесс происходит в полупроводниковых и под действием света. Разрыв электронных связей сопровождается не только появлением свободных электронов, но и образованием «дырок» — вакансий, т. е. пустых мест в атомах, которые покинул электрон.
«Дырка» — понятие, введенное в квантовой теории твердого тела. Дырка ведет себя подобно частице с элементарным положительным зарядом, равным заряду электрона, и массой, близкой к массе электрона.
Дырка, появившись одновременно со свободным электроном, перемещается в течение некоторого времени, называемого временем жизни, в кристалле замещением вакансий соседними электронами связи, а затем рекомбинирует с одним из свободных электронов (электроном проводимости).
В абсолютно чистом, так называемом «собственном» полупроводнике, электроны и дырки под действием тепла и света всегда образуются парами, т.е. в равном количестве. Число их в стационарном режиме определяется равновесием между процессами генерации и рекомбинации свободных носителей заряда (электронов и дырок). Генерация носителей — образование пар, рекомбинация— их исчезновение. Процессы генерации и рекомбинации идут непрерывно, их скорости равны. Электропроводность полупроводника, обусловленная парными носителями теплового происхождения, называется собственной.
Полупроводник, у которого n=p, называется собственным полупроводником или полупроводником с собственной проводимостью Концентрации электронов ni и дырок pi в собственном полупроводнике одинаковы (ni=pi) и зависят только от температуры, заметно возрастая с ее повышением (Индекс i здесь и далее относится к «собственным» полупроводникам, i — от английского слова intrinsic — настоящий).
Собственных полупроводников (идеальных кристаллов бесконечной протяженности) в природе не существует. Реальные кристаллы имеют конечные размеры, дефекты и примеси. И если в справочниках иногда приводят параметры «собственного» полупроводникового материала, то это означает лишь, что имеется в виду полупроводник, у которого концентрации примесей и дефектов ниже определенной величины.
Главную роль в полупроводниковой электронике играют примесные полупроводники, в которых концентрации электронов и дырок значительно различаются.
Любые примеси в полупроводниках приводят к существенному изменению их свойств. В частности, изменяется электропроводность полупроводника. В этом случае она называется примесной электропроводностью. Можно контролировать количество и тип вводимой примеси и, следовательно, электропроводность полупроводникового материала.
Различают примеси донорные («отдающие» электроны) и акцепторные («принимающие» электроны, образующие дырки в атомах полупроводника).
В качестве донорных примесей используются элементы V группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева: фосфор, мышьяк, сурьма и др. В качестве акцепторных — элементы III группы: бор, алюминий, галлий, индий и др. На рис. 2.1 стрелками показаны примеси для Ge и Si, наиболее широко используемые в промышленности.
Если ввести в кремний атом пятивалентного фосфора, то четыре из его пяти валентных электронов образуют с четырьмя электронами соседних атомов кремния парноэлектронные или ковалентные связи. Пятый электрон оказывается слабо связан с ядром и при самых незначительных тепловых колебаниях решетки становится свободным, т. е. электроном проводимости. Атом примеси при этом превращается в положительный ион с единичным зарядом. Атом, отдающий электрон, называется донором, а примесь —донорной. Образовавшиеся свободные электроны добавляются к «собственным» свободным электронам термогенерации и увеличивают проводимость кристалла. Концентрация «примесных» электронов, поскольку они слабее связаны с ядром, будет значительно превышать концентрацию «собственных» электронов, а следовательно, и дырок. Полупроводники с донорной примесью называются полупроводниками с электронной проводимостью или полупроводниками типа n (n — от negative — отрицательный). В полупроводнике типа n ток электронов значительно превышает ток дырок.
В примесном полупроводнике один тип подвижных носителей заряда преобладает над другим, поэтому принято те носители, которые составляют большинство, называть основными, а те, которых меньшинство, — неосновными.
Таким образом, основными носителями заряда в электронном полупроводнике являются электроны, а неосновными — дырки, и, следовательно, в полупроводнике n-типа концентрация электронов значительно больше концентрации дырок Nn > Pn, но Nn*Pn = ni 2
Если в кремний ввести атом трехвалентного бора, то для валентной связи бора с четырьмя ближайшими атомами кремния необходимо четыре валентных электрона, а на его верхней валентной оболочке их лишь три. Недостающий электрон отбирается из основной решетки и тогда атом бора превращается в отрицательный ион. А на месте покинувшего атом кремния электрона образуется дырка. Атом, принимающий электрон, называется акцептором, а примесь — акцепторной. Полупроводники с акцепторной примесью называются полупроводниками с дырочной проводимостью или полупроводниками типа р (р — от positive — положительный). В полупроводнике типа р дырочная электропроводность значительно превосходит электронную.
Основными носителями заряда в дырочном полупроводнике являются дырки, а неосновными — электроны, и, следовательно, в полупроводнике p-типа концентрация дырок значительно больше концентрации электронов, Pp >Np, но всегда Np*Pp = Pi 2 .
Если в полупроводник n-типа ввести акцепторную примесь концентрации равной концентрации носителей n-типа, то такой полупроводник называется компенсированным.
Полупроводник, у которого число носителей не менее 10 20 на 1см3, называется вырожденным полупроводником.
Что такое основные и не основные носители заряда?
В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки. Отношение их концентраций определяет тип проводимости полупроводника.
Если значительно преобладают электроны, то такой полупроводник называется полупроводником n-типа. Электроны, в этом случае, называются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.
Соответственно, если преобладают дырки, то полупроводник является полупроводником p-типа, дырки — основными носителями, а электроны неосновными.
Если положительный потенциал приложен к p-области, то потенциальный барьер понижается (прямое смещение). В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть барьер. Как только эти носители миновали p — n-переход, они становятся неосновными. Поэтому концентрация неосновных носителей по обе стороны перехода увеличивается (инжекция неосновных носителей). Одновременно в p- и n-областях через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих компенсацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через переход, который с ростом напряжения экспоненциально возрастает.
Приложение отрицательного потенциала к p-области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. Диффузия основных носителей через переход становится пренебрежимо малой. В то же время потоки неосновных носителей не изменяются (для них барьера не существует). Неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в p—n-переход и проходят через него в соседнюю область (экстракция неосновных носителей).
Неосновные — это дырки в n-области и электроны в p-области. Их наличие вызвано диффузией.
На добавочный вопрос: при приложении обратного напряжения кроме диффузии неосновные носители «подгоняются» еще и эл. полем
Учебник. Электрический ток в полупроводниках
По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между хорошими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.
Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает (см. рис. 1.12.4). У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами (рис. 1.13.1).
Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T
Такой ход зависимости ρ (T) показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов. Рассмотрим качественно этот механизм на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен.
Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре слабо связанных электрона. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам (рис. 1.13.2). Валентные электроны в кристалле германия связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.
Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары
При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название дырок. Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместится на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
Если полупроводник поместить в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов: I = In + Ip.
Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: nn = np. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.
При наличии примесей электрическая проводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка в кристалл кремния примесей фосфора в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков. Такое сильное влияние примесей может быть объяснено на основе изложенных выше представлений о строении полупроводников.
Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.
Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную.
Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).
Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник n-типа
На рис. 1.13.3 показан пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорной примесью. В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.
В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле nn >> np. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа.
Атом индия в решетке германия. Полупроводник p-типа
Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In). На рис. 1.13.4 показан атом индия, который с помощью своих валентных электронов создал ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия. Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.
Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: np >> nn. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью. Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа. Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.
Следует подчеркнуть, что дырочная проводимость в действительности обусловлена эстафетным перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь.
Для полупроводников n— и p-типов закон Ома выполняется в определенных интервалах сил тока и напряжений при условии постоянства концентраций свободных носителей.
Полупроводники. Часть первая: Электрические свойства полупроводников.
Эта статья в основном предназначена для тех, кто только-только начал первые шаги в области радиотехники, но может быть полезна и опытным радиолюбителям или студентам.
В первой части статьи разъясняются процессы, происходящие в полупроводниках на атомном уровне, расписываются такие понятия, как валентная зона, зона проводимости, собственная электропроводность и другие.
Остальные пять частей будут постепенно выкладываться в раздел «Начинающим».
Содержание статьи / Table Of Contents
↑ Структура и энергетические диаграммы чистого полупроводника
К полупроводниковым относят вещества, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Характерной чертой полупроводников, отличающей их от других веществ, является сильная зависимость их сопротивления от температуры и концентрации примесей.
В производстве полупроводниковых приборов наибольшее распространение получили такие материалы, как германий и кремний. Они имеют кристаллическую структуру и расположены в IV группе таблицы Менделеева.
Все вещества состоят из атомов. Атом включает положительно заряженное ядро и электроны, вращающиеся вокруг него по орбитам с определенным радиусом.
Энергию электронов атома можно представить в виде диаграммы (рис. 3.1, а). Как видно из рисунка, электроны в атоме могут обладать лишь значениями энергий, равными W1, W2, W3, W4, и не могут иметь промежуточных уровней.
Электроны, вращающиеся на внешних оболочках, называются валентными. Установлено, что в атоме любого вещества одинаковая энергия может быть не более чем у двух электронов. Иными словами, на одном энергетическом уровне может находиться не более двух электронов. Поскольку в веществе содержится большое количество атомов, вследствие их взаимодействия энергетические уровни электронов, вращающихся по одинаковым орбитам, смещаются относительно энергетических уровней этих же электронов в отдельном «изолированном» атоме. В результате образуются целые энергетические зоны, состоящие из близко расположенных энергетических уровней. Энергетические уровни, образованные валентными электронами, называют валентной зоной (рис. 3.1,б).
↑ Образование свободных электронов и дырок в полупроводнике
Между атомами в кристалле полупроводника существуют ковалентные связи. Ковалентная связь образуется за счет вращения двух электронов, принадлежащих двум рядом расположенным атомам, по одной общей орбите (рис. 3.2, а). Германий и кремний являются четырехвалентными элементами, и их атомы имеют по 4 валентных электрона. В результате образования парных ковалентных связей все атомы германия и кремния оказываются взаимосвязанными. Плоские модели кристаллических решеток чистого германия Ge и кремния Si изображены на рис. 3.2, б. На этом рисунке парные ковалентпые связи показаны двумя параллельными линиями, соединяющими два соседних атома, а электроны, образующие эти связи,— в виде черных точек.
При сообщении электрону дополнительной энергии ковалентная связь может нарушиться и он станет свободным.
Место на внешней орбите атома, где ранее находился электрон, называют дыркой. На энергетической диаграмме дырке соответствует свободный энергетический уровень в валентной зоне, с которого электрон перешел в зону проводимости (рис. 3.2, г).
Образование свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне называют генерацией подвижных носителей заряда, или генерацией пар электрон — дырка, поскольку появление свободного электрона в зоне проводимости обязательно сопровождается появлением дырки в валентной зоне.
Свободный электрон может, теряя часть своей энергии, из зоны проводимости перейти в валентную зону, заполнив собой одну из имеющихся в ней дырок. При этом восстанавливается ковалентная связь. Этот процесс называют рекомбинацией. Таким образом, рекомбинация всегда сопровождается потерей пары электрон—дырка.
↑ Электронный и дырочный токи в полупроводниках
При заданной температуре в полупроводнике всегда имеются разорванные ковалентные связи, т. е. некоторое количество свободных электронов и соответствующее им число дырок. Если к такому полупроводнику подключить источник напряжения, свободные электроны под действием образовавшегося электрического поля будут двигаться в сторону положительного полюса, создавая электрический ток. Кроме того, электроны могут покидать одни ковалентные связи и восстанавливать другие — разрушенные. При этом в одном месте дырка исчезает, а в другом, откуда ушел электрон, появляется. Следовательно, в полупроводнике могут перемещаться не только электроны, но и дырки, и электрический ток включает две составляющие: электронную, образуемую путем перемещения свободных электронов, и дырочную, создаваемую при перемещении дырок. Дырке условно соответствует положительный единичный заряд, равный заряду электрона.
Полупроводники, которые состоят только из атомов германия или кремния, называют чистыми, или собственными, а электропроводность (способность проводить электрический ток), обусловленную наличием свободных электронов и дырок,— собственной электропроводностью.
↑ Примесные полупроводники n-типа
Для придания полупроводниковым приборам необходимых свойств в полупроводники добавляют примеси других элементов. В качестве таковых используются пяти- и трехвалентные элементы, расположенные в V и III группах таблицы Менделеева.
При внесении в германий или кремний пятивалентных элементов (фосфора Р, мышьяка As, сурьмы Sb и др.) четыре валентных электрона примесных атомов образуют устойчивые ковалентные связи с атомами основного вещества. Пятые валентные электроны примесных атомов оказываются как бы лишними, они слабо связаны с атомами, и достаточно тепловой энергии, сообщаемой им при комнатной температуре, чтобы они смогли оторваться от атомов и стать свободными. При этом примесный атом превращается в положительный ион.
Появление свободных электронов не сопровождается дополнительными разрушениями ковалентных связей, а наоборот, некоторые дырки «исчезают», рекомбинируя (восстанавливая связь) со свободными электронами. Следовательно, в таких полупроводниках свободных электронов значительно больше, чем дырок, и протекание тока через полупроводник будет в основном определиться движением электронов и в очень малой степени — движением дырок. Это полупроводники n-типа (от латинского слова negative—отрицательный), примеси же называют донорами. Энергетическая диаграмма полупроводника n-типа приведена на рис. 3.3, а.
↑ Примесные полупроводники р-типа
Если в германий или кремний ввести трехвалентные атомы бора В, индия In, алюминия Аl, галлия Ga и др., то три валентных электрона примесных атомов образуют устойчивые ковалентные связи с тремя рядом расположенными атомами основного вещества. Для образования четвертой ковалентной связи примесным атомам не хватает по одному электрону. Эти электроны они получают вследствие разрыва ковалентных связей между атомами основного вещества. Причем на месте ушедшего электрона образуется дырка, а примесные атомы, принявшие по электрону, превращаются в отрицательные ионы. Таким образом, в полупроводнике образуется дополнительное количество дырок, а число свободных электронов не увеличивается. Электрический ток в таком полупроводнике создается главным образом за счет перемещения дырок в валентной зоне и в незначительной степени — при движении свободных электронов в зоне проводимости. Это полупроводники р-типа (от латинского positive- положительный). Примеси называют акцепторами.
Энергетическая диаграмма примесного полупроводника р-типа приведена на рис. 3.3, б.
Подвижные носители электрического заряда, которые преобладают в полупроводнике данного типа, называются основными, остальные — неосновными. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки, в полупроводнике р-типа, наоборот, дырки — основные носители, а электроны — неосновные.