Лекция_1_Полупроводники_Р_н_переход_ (1). Лекция Полупроводники. Рn переход Физические основы полупроводников Общие понятия. Проводники, полупроводники и диэлектрики
 Скачать 1 Mb.
|
|
1 Лекция 1. Полупроводники. Р-n переход Физические основы полупроводников 1. Общие понятия. Проводники, полупроводники и диэлектрики. В электричестве выделяют три основных группы материалов – это проводники, полупроводники и диэлектрики. Основным их отличием является возможность проводить ток. Рассмотрим, чем отличаются эти виды материалов и как они ведут себя в электрическом поле. Что такое проводник? Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению. G=1/R К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия. Металлы являются отличными проводниками, благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции. Что такое диэлектрик? Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля ток в диэлектрике не возникает. Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее (рис. 1.). В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков. Рис. 1. Применение диэлектриков Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженности электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление. Основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные свойства. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя. Что такое полупроводник? Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет; но, если 2 приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм: электрической, тепловой, под воздействием излучений. Рис. 2. Применение полупроводников. Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее (рис. 2). К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид- галия, селена, мышьяка. Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории. Зонная теория Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев (рис. 3). Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в Электронвольтах (ЭВ). Рис. 3. Энергетические уровни материалов. Рис. 4. Три вида материалов с их энергетическими уровнями. 3 У проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму (рис.4). Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии. У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная зона (рис. 4). Ширина запрещенной зоны определяет, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток. У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая (рис. 4), из-за различия внутреннего строения веществ. Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. 2. Физические основы полупроводников. Любое твердое тело представляет собой множество атомов, сильно взаимодействующих друг с другом благодаря малым межатомным расстояниям, при которых их внешние оболочки соприкасаются или даже перекрываются. Эти расстояния минимальны у металлов и максимальны у диэлектриков. В создании электрического тока в веществе могут принимать участие только подвижные носители электрических зарядов. Поэтому его электропроводность тем больше, чем больше в единице объема этого вещества находится подвижных носителей электрических зарядов. В металлах практически все валентные электроны свободны, что и обусловливает их высокую электропроводность. В диэлектриках и полупроводниках свободных носителей значительно меньше, поэтому их удельное сопротивление велико. К полупроводникам относятся простые полупроводниковые материалы – химические элементы таблицы Д.И. Менделеева (кремний Si, германий Ge – IV группа; селен Sе –VI группа), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия GаАs и индия InАs, др.), которые в отличие от проводников имеют не только электронную, но и дырочную электропроводности, зависящие от температуры окружающей среды, наличия освещённости, электрического поля, примесей и других факторов. С повышением температуры электропроводность у полупроводников увеличивается, в то время как у металлов она уменьшается, т.е. растет удельное электрическое сопротивление металлов с повышением температуры, а у полупроводников уменьшается. Удельное сопротивление полупроводника также резко уменьшается при введении в него незначительного количества примеси. Большинство применяемых в настоящее время полупроводников относится к кристаллическим телам, атомы которых образуют пространственную решетку. Кристаллическая решетка полупроводника имеет парноэлектронную связь атомов, т.е. взаимное притяжение атомов кристаллической решетки осуществляется за счет ковалентной связи: общей пары валентных электронов, составленной из одного электрона от первого атома, и одного электрона – от второго атомов, вращающихся по одной общей орбите вокруг этих атомов (рис. 5). Рис.5. Схематические изображения ковалентной связи атомов. 4 Пример ковалентной связи представлен на рис. 6: каждый атом кремния Si образует ковалентную связь с четырьмя соседними атомами кремния Si. Такие электроны могут иметь различную степень связи со своей парой атомов и могут находиться в двух устойчивых зонах: в валентной зоне – это нижняя разрешенная зона, или зоне проводимости – это верхняя разрешенная зона. Между этими зонами расположена запрещенная зона. Ширина запрещенной зоны является основным параметром, характеризующим свойства твердого тела. У полупроводников ширина запрещенной зоны составляет 0,01 – 3 эВ; у диэлектриков – больше 3 эВ; у металлов (проводников) – отсутствует. Рис. 6. Структура связей атома кремния в кристаллической решетке при температуре абсолютного нуля. Если электрон атома в кристаллической решетке остается связанным с ядром, то он находится в зоне валентности, если оторван от ядра, то в зоне проводимости. Энергетические уровни валентной зоны обычно заполнены электронами внешней оболочки атомов (валентные электроны). Валентные электроны не могут принимать участие в проявлении электропроводности полупроводника. В химически чистом полупроводнике при температуре абсолютного нуля все ковалентные связи заполнены (рис. 6), т.е. у полупроводников валентная зона полностью заполнена, зона проводимости совершенно пуста, поэтому полупроводник проводить ток не может (отсутствуют свободные носители зарядов). С увеличением температуры окружающей среды часть электронов приобретают дополнительную энергию для преодоления ширины запрещенной зоны и, разрывая ковалентную связь, переходит в зону проводимости, создавая собственную электропроводимость полупроводника (рис. 7). Одновременно с этим у того атома примеси, от которого отделился электрон, возникает незаполненный энергетический уровень в валентной зоне, называемой дыркой. Такая связь может быть восстановлена за счет электрона соседнего атома, т.е. разрушения соседней ковалентной связи. Многократное повторение подобных ситуаций создает видимость перемещения дырки по объему кристалла, которая, имея положительный заряд, создает собственную дырочную проводимость полупроводника. Процесс образования пар электрон-дырка называют генерацией свободных носителей заряда. Рис.7. Образование пары электрон - дырка при повышении температуры. 5 Процесс генерации электронно-дырочных пар может происходить не только под воздействием тепла, но и за счет любых процессов, способных сообщить электрону количество энергии, достаточной для разрыва ковалентной связи. Для полупроводников достаточно незначительной энергии (для германия 0,72 эВ; для кремния 1,12 эВ; для арсенида галлия 1,4 эВ) для образования свободных электронов и преодоления ими запрещенной энергетической зоныи перехода извалентной энергетической зоны в зону проводимости. Процесс генерации всегда сопровождается обратным процессом – рекомбинацией, то есть соединением электрона с дыркой и образованием нейтрального атома. В результате при постоянстве внешних условий в полупроводнике наступает равновесие, при котором присутствует некоторая концентрация свободных электронов и дырок. Равенство концентраций свободных электронов и дырок показывает, что такой полупроводник обладает одинаковыми электронной и дырочной электропроводностями и называется полупроводником с собственной электропроводностью. В чистом полупроводнике на образование пары требуется затратить значительное количество энергии и его проводимость при комнатной температуре весьма мала. Значительно увеличить проводимость можно, добавляя в полупроводник трехвалентные примеси (III группа таблицы Д.И. Менделеева)или пятивалентные (V группа таблицы Д.И. Менделеева). При введении в 4-валентный полупроводник примесных 5-валентных атомов фосфора (P), или сурьмы (Sb), или мышьяка (Аs) атомы примесей замещают основные атомы в узлах кристаллической решетки. Четыре электрона атома примеси (сурьмы Sb, рис. 8) вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних атомов основного полупроводника (кремния Si). Пятый валентный электрон примеси слабо связан со своим атомом и при сообщении ему незначительной энергии, называемой энергией активации, отрывается от атома и становится свободным. Атом примеси, потерявший электрон, превращается в положительно заряженную частицу (положительно заряженный ион), неподвижно закрепленную в данном месте решетки. Это донорный атом. В отличие от беспримесного полупроводника образование свободного электрона здесь не сопровождается образованием дырки. Примеси, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными примесями или просто донорами. Рис. 8. Структура образования донорной проводимости. Малая энергия активации примесей (0,01…0,2 эВ) уже при комнатной температуре приводит к полной ионизации 5-валентных атомов примесей и появлению свободных электронов. Поскольку в этом случае появление свободных электронов не сопровождается одновременным увеличением количества дырок (ионизированные 5-валентные атомы, хотя и являются носителями положительного заряда, не могут свободно перемещаться по кристаллу или обмениваться валентными электронами с соседними атомами основного вещества), в таком полупроводнике концентрация электронов оказывается значительно больше концентрации дырок. Полупроводники, в которых концентрация свободных электронов превышает концентрацию дырок, называются полупроводниками с электронной электропроводностью или полупроводниками n-типа. 6 Подвижные носители заряда, преобладающие в полупроводнике, называют основными. Соответственно те носители заряда, которые находятся в меньшем количестве, называются неосновными для данного типа полупроводника. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными – дырки. При введении в 4-валентный полупроводник (кремний Si) примесных 3-валентных атомов индия (In), или бора (В), или галлия (Ga) для образования четырех ковалентных связей у примесного атома не хватает одного электрона. Этот электрон может быть получен (рис.9) от атома основного элемента (кремния Si) за счет разрыва ковалентной связи. В результате примесный атом превращается в отрицательно заряженный ион, неподвижно закрепленный в данном месте решетки и не принимающего участия в создании электрического тока. В свою очередь атом кремния, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом – дырка. За счет эстафетного перехода электронов от одного атома к другому дырка может перемещаться по кристаллу. Примеси, захватывающие валентные электроны, называют акцепторными примесями или акцепторами. Рис. 9. Структура образования акцепторной проводимости. Ввиду малого значения энергии активации акцепторов уже при комнатной температуре многие валентные электроны переходят на уровни акцепторов. Эти электроны, превращая примесные атомы в отрицательные ионы, теряют способность перемещаться по кристаллической решетке, а образовавшиеся при этом дырки могут участвовать в создании электрического тока. За счет ионизации атомов исходного материала (кремния Si) часть валентных электронов становится свободной. Однако свободных электронов значительно меньше, чем дырок. Поэтому дырки в таких полупроводниках являются основными, а электроны – неосновными подвижными носителями заряда. Такие полупроводники носят название полупроводников с дырочной электропроводностьюилиполупроводников p-типа. В примесных полупроводниках при комнатной температуре практически все атомы примеси находятся в возбужденном состоянии, причем количество созданных ими основных носителей намного превышает количество неосновных, возникающих путем обычной термогенерации электронно-дырочных пар. В результате этого примесная проводимость гораздо выше собственной проводимости полупроводника, в значительно меньшей степени зависит от внешних факторов и определяется главным образом концентрацией примесей. 4. Электрические переходы Электрическим переходом в полупроводнике называется граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых имеют существенные физические различия. Различают следующие виды электрических переходов: – электронно-дырочный, или p–n-переход – переход между двумя областями полупроводника, имеющими разный тип электропроводности; –переходы между двумя областями, если одна из них является металлом, а другая полупроводником p- или n-типа (переход металл – полупроводник); – переходы между двумя областями с одним типом электропроводности, отличающиеся 7 значением концентрации примесей; – переходы между двумя полупроводниковыми материалами с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереходы). Электронно-дырочный переход Работа целого ряда полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и др.) основана на явлениях, возникающих в контакте между полупроводниками с разными типами проводимости, либо в точечном контакте полупроводника с металлом. Граница между двумя областями монокристалла полупроводника, одна из которых имеет электропроводность типа p, а другая – типа n называется электронно-дырочным переходом. Концентрации основных носителей заряда в областях p и n могут быть равными или существенно отличаться. Р-n-переход, у которого концентрации дырок и электронов практически равны N акц N дон , называют симметричным. Если концентрации основных носителей заряда различны (N акц N дон или N акц N дон ) и отличаются в 100 -1000 раз, то такие переходы называют несимметричными. Несимметричные p-n-переходы используются шире, чем симметричные, поэтому в дальнейшем будем рассматривать только их. Рассмотрим монокристалл полупроводника (рис. 10), в котором, с одной стороны, введена акцепторная примесь, обусловившая возникновение здесь электропроводности типа p, а с другой стороны, введена донорная примесь, благодаря которой там возникла электропроводность типа n. Каждому подвижному положительному носителю заряда в области p (дырке) соответствует отрицательно заряженный ион акцепторной примеси, но неподвижный, находящийся в узле кристаллической решетки, а в области n каждому свободному электрону соответствует положительно заряженный ион донорной примеси, в результате чего весь монокристалл остается электрически нейтральным. Свободные носители электрических зарядов под действием разности концентрации начинают перемещаться из мест с большой концентрацией в места с меньшей концентрацией. Так, дырки будут диффундировать из области p в область n, а электроны, наоборот, из области n в область p. Это направленное навстречу друг другу перемещение основных электрических зарядов образует диффузионный ток I диф p-n-перехода. Но как только дырка из области p перейдет в область n, она оказывается в окружении электронов, являющихся основными носителями электрических зарядов в области n. Поэтому велика вероятность того, что какой-либо электрон заполнит свободный уровень в дырке и произойдет явление рекомбинации, в результате которой не будет ни дырки, ни электрона, а останется электрически нейтральный атом полупроводника. Рис. 10. Структура образования p–n-перехода (начальный момент) Но если раньше в области p положительный электрический заряд каждой дырки компенсировался отрицательным зарядом иона акцепторной примеси, а заряд электрона в области n – положительным зарядом иона донорной примеси, то после рекомбинации дырки и электрона 8 электрические заряды неподвижных ионов примесей, породивших эту дырку и электрон, остались не скомпенсированными. И в первую очередь не скомпенсированные заряды ионов примесей проявляют себя вблизи границы раздела (рис. 11), где образуется слой пространственных зарядов, разделенных узким промежутком . Между этими зарядами возникает электрическое поле с напряжённостью E, которое называют полем потенциального барьера, а разность потенциалов на границе раздела двух зон, обусловливающих это поле, называют контактной разностью потенциалов к. Рис. 11. Структура образования p–n-перехода при отсутствии внешнего поля (красным цветом обозначены дырки; синим – электроны). Это электрическое поле начинает действовать на подвижные носители электрических зарядов: дырки в области p, основные носители для этой области, попадая в зону действия этого поля, испытывают со стороны него тормозящее, отталкивающее действие и, перемещаясь вдоль силовых линий этого поля, будут вытолкнуты вглубь области p. Аналогично, электроны из области n, попадая в зону действия поля потенциального барьера, будут вытолкнуты им вглубь области n. Таким образом, в узкой области , где действует поле потенциального барьера, образуется слой, где практически отсутствуют свободные носители электрических зарядов и вследствие этого обладающий высоким сопротивлением. Это так называемый запирающий слой. Если же в области p вблизи границы раздела каким-либо образом окажется свободный электрон, являющийся неосновным носителем для этой области, то он со стороны электрического поля потенциального барьера будет испытывать ускоряющее воздействие, вследствие чего этот электрон будет переброшен через границу раздела в область n, где он будет являться основным носителем. Аналогично, если в области n появится неосновной носитель, дырка, то под действием поля потенциального барьера она будет переброшена в область p, где она будет уже основным носителем. Движение неосновных носителей через p-n-переход под действием электрического поля потенциального барьера обусловливает составляющую дрейфового тока I др . При отсутствии внешнего электрического поля устанавливается динамическое равновесие между потоками основных и неосновных носителей электрических зарядов, то есть между диффузионной и дрейфовой составляющими тока p-n-перехода, поскольку эти составляющие направлены навстречу друг другу. Потенциальная диаграмма p-n-перехода изображена на рис. 11, причем за нулевой потенциал принят потенциал на границе раздела областей. Контактная разность потенциалов образует на границе раздела, потенциальный барьер с высотой к. На диаграмме изображен потенциальный барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться справа налево (из области n в область p). Если отложить вверх положительный потенциал, то можно получить изображение потенциального 9 барьера для дырок, диффундирующих слева направо (из области p в область n). Высота потенциального барьера зависит от концентрации примесей. |