Примесная электропроводность полупроводников

ПРИМЕСНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Если в полупроводнике имеются примеси других веществ, то дополнительно к собственной электропроводности появляется еще примесная электропроводность, которая в зависимости от рода примеси может быть электронной или дырочной. Например, германий, будучи четырехвалентным, обладает примесной электронной электропроводностью, если к нему добавлены пятивалентные сурьма (Sb), мышьяк (As) или фосфор (P). Их атомы взаимодействуют с атомами германия только четырьмя своими электронами, а пятый электрон они отдают в зону проводимости. В результате добавляется некоторое число электронов проводимости. Примеси, атомы которых отдают электроны, называют донорами. Атомы доноров, теряя электроны, сами заряжаются положительно. На рис.1 показано, как атом донорной примеси (пятивалентной сурьмы), находящийся в окружении атомов германия, отдает один электрон в зону проводимости. При этом общий заряд тела полупроводника остается нейтральным.

Рис.1 Возникновение примесной электронной электропроводности.

Полупроводники с преобладанием электронной электропроводности называются электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа. Зонная диаграмма такого полупроводника показана на рис.2.

Рис.2 Зонная диаграмма полупроводника n-типа

Энергетические уровни атомов донора расположены лишь немного ниже зоны проводимости основного полупроводника. Поэтому из каждого атома донора один электрон легко переходит в зону проводимости, и таким образом в этой зоне появляется дополнительное число электронов, равное числу атомов донора. В самих атомах донора дырки не образуются, т. к. все места ковалентных связей заняты электронами.

Если же четырехвалентный германий содержит примеси трехвалентных бора (В), индия (In) или алюминия (Al), то их атомы отнимают электроны от атомов германия, и в последних образуются дырки. Вещества, отбирающие электроны и создающие дырочную электропроводность, называют акцепторами. Атомы акцептора, захватывая электроны, сами заряжаются отрицательно. На рис.3 показано, как атом акцепторной примеси, расположенный среди атомов германия, захватывает электрон от соседнего атома германия, в котором при этом создается дырка. При этом общий заряд тела полупроводника остается нейтральным.

Рис.3 Возникновение примесной дырочной проводимости

Полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа. Энергетические уровни акцепторных атомов располагаются лишь немного выше валентной зоны (рис.4). На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, в которой при этом возникают дырки.

Рис.4 Зонная диаграмма полупроводника p-типа.

В полупроводниковых приборах используются главным образом полупроводники, содержащие донорные или акцепторные примеси и называемые примесными. При обычных рабочих температурах в таких полупроводниках все атомы примеси участвуют в создании примесной электропроводности, т. е. каждый атом примеси либо отдает, либо захватывает один электрон.

Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов донорной или акцепторной примеси должна превышать концентрацию собственных носителей заряда.

Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными.

Для создания в полупроводнике примесной электропроводности концентрация акцепторной или донорной примеси должна составлять примерно 10^-4%. Получение полупроводников с таким малым и строго дозированным содержанием нужной примеси является весьма сложным процессом. Для германия, используемого в качестве исходного материала, допускаются примеси в количестве не более 10^-8%, а для кремния не более

10^-11%.

Рассмотрим прохождение тока через полупроводники. Током неосновных носителей для упрощения пренебрегаем. Под действием ЭДС источника в проводах, соединяющих полупроводник n-типа с источником, и в самом полупроводнике движутся электроны проводимости (рис.5). Значками плюс обозначены положительно заряженные атомы кристаллической решетки.

Рис.5 Ток в полупроводнике с электронной проводимостью.

В соединительных проводах полупроводника p-типа как и в случае с полупроводником n-типа по прежнему движутся электроны, а в самом полупроводнике ток следует рассматривать как перемещение дырок (рис.6).

Рис.6 Ток в полупроводнике с дырочной проводимостью.

Электроны с отрицательного полюса источника поступают в полупроводник и заполняют пришедшие сюда дырки. К положительному полюсу источника приходят электроны из соседних частей полупроводника, и в этих частях образуются дырки, которые перемещаются по полупроводнику в сторону к отрицательного потенциала источника.

ДИФФУЗИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

В полупроводниках помимо тока проводимости (дрейфа носителей) может быть еще диффузионный ток, причиной возникновения которого является не разность потенциалов, а разность концентраций носителей. Если носители заряда распределены равномерно по полупроводнику, то их концентрация является равновесной. Под влиянием каких-либо внешних воздействий в разных частях полупроводника концентрация может стать неодинаковой, неравновесной. Например, если часть полупроводника подвергнуть действию излучения, то в ней усилится генерация пар носителей, и возникнет дополнительная концентрация носителей, называемая избыточной.

Т. к. носители имеют собственную кинетическую энергию, то они всегда переходят из мест с более высокой концентрацией в места с меньшей концентрацией, т. е. стремятся к выравниванию концентрации. Явление диффузии характерно для многих частиц вещества, а не только для подвижных носителей заряда. Всегда причиной диффузии является неодинаковость концентрации частиц, а сама диффузия совершается за счет собственной энергии теплового движения частиц.

Диффузионное движение подвижных носителей заряда (электронов и дырок) называется диффузионным током.

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Область, разделяющая полупроводник на две части с разнотипной проводимостью, называется электронно-дырочным переходом или p-n-переходом.

Вследствие того, что концентрация электронов в n-области выше, чем в p-области, а концентрация дырок в p-области выше, чем в n-области, на границе этих областей существует градиент концентрации (изменение концентрации по направлению от одной области к другой), вызывающий ток диффузии электронов из. n-области в p-область и ток диффузии дырок из в p-области в n-область (рис.7)

Если бы электроны и дырки были нейтральными, то диффузия в конечном итоге привела бы к полному выравниванию их концентраций по всему объему кристалла.

Рис.7. Возникновение тока диффузии в p-n-переходе.

Но уход электрона из приконтактной n-области приводит к возникновению нескомпенсированного положительного заряда иона донорной примеси. Точно также в в p-области вследствие ухода дырки возникает нескомпенсированный отрицательный заряд иона акцепторной примеси. Таким образом на границе p-области и n-области образуются два слоя противоположных по знаку зарядов. Область образовавшихся пространственных зарядов и представляет собой p-n-переход. Его толщина составляет десятые доли микрона (рис.8).

Рис.8 Образование электрического поля и контактной разности потенциалов в p-n-переходе

Пространственные заряды в переходе образуют электрическое поле, направленное от положительно заряженных ионов донора к отрицательно заряженным ионам акцептора (рис.8). Это поле является тормозящим для основных носителей заряда. Теперь любой электрон, пытающийся пройти из n-области в p-область, попадает в электрическое поле, стремящееся возвратить его обратно в n-область. Точно также дырки, попадая из p-области в электрическое поле p-n-перехода, будут возвращены этим полем обратно в p-область.

Что же касается неосновных носителей заряда, то они, совершая хаотическое тепловое движение, могут попасть в электрическое поле p-n-перехода. В этом случае ускоряющее для них поле протолкнет их через переход. Например, дырка собственной электропроводности, возникшая в n-области, будет беспрепятственно перенесена электрическим полем p-n-перехода в p-область.

В p-n-переходе возникает потенциальный барьер U_к, препятствующий диффузионному переходу носителей. Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. При постоянной температуре p-n-переход находится в состоянии динамического равновесия. Каждую секунду через границу в противоположных направлениях диффундирует определенное число электронов и дырок, а под действием поля столько же их дрейфует в обратном направлении.

При динамическом равновесии токи диффузии и дрейфа равны между собой. Поэтому полный ток через переход равен нулю. Высота потенциального барьера U_к всегда выставляется такой, чтобы диффузионный ток и ток дрейфа компенсировали друг друга.

.

Дата добавления: 2015-10-21