Передмова
Напівпровідники або напівпровідникові сполуки бувають власними (чистими) і з домішкою (легованими). У чистих напівпровідниках концентрація носіїв заряду - вільних електронів і дірок невелика (складає лише 10 16 - 10 18 на 1 см 3 речовини; для порівняння, число Авогадро NA = 6.62 * 10 23).
Для зниження питомої опору напівпровідника і надання йому певного типу електропровідності - електронної при переважанні вільних електронів (напівпровідник n типу) або доречний при переважанні дірок (напівпровідник p типу) - в чисті напівпровідники вносять певні домішки. Такий процес називається легуванням. Як легуючі домішок використовують елементи 3 і 5 груп періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва. Легуючі елементи 3 групи створюють дірковий електропровідність напівпровідникових матеріалів і називаються акцепторні домішками, елементи 5 групи - електронну електропровідність називають донорними домішками.
Електронно-дірковий p-n перехід являє собою з'єднання двох напівпровідників з різним типом провідності.
Явище p-n переходу є основою напівпровідникової електроніки, тому що всі напівпровідникові елементи являють собою лише набір p-n переходів, і розрізняються лише їх кількістю, порядком проходження і т.д. Параметри p-n переходів визначають головну характеристику напівпровідникових елементів - ВАХ (вольт-амперна характеристика).
Також необхідно відзначити, що p-n перехід має нелінійної залежністю між струмом, що протікає через нього, і прикладеним до нього напругою, внаслідок цього всі напівпровідникові елементи принципово нелінійні.
ВАХ p-n переходу розглянута в статті про діоди.
власні напівпровідники
Для кращого розуміння наступного матеріалу непогано було б згадати шкільний курс фізики і хімії. Ну а щоб не надто напружувати свій мозок, ми зробимо це разом.
Електрони зовнішньої оболонки атома називаються валент-ними. Взаємне тяжіння атомів здійснюється за рахунок об-щей пари валентних електронів (ковалентного зв'язку), обертаю-трудящих за однією орбіті навколо цих атомів. Валентні електрони як найбільш віддалені від ядра мають з ним найбільш слабку зв'язок і тому під впливом електрич-ного поля, теплоти, світла та інших причин можуть відділятися від атома або молекули і ставати вільними.
Процес відриву і видалення одного або декількох електрон-тронів від атома або молекули називається іонізацією.
Електрони в атомі мають тільки цілком певними значеннями енергії, складовими сукупність дискретних рівнів енергії атома. У твердому тілі при утворенні кристал-вої решітки завдяки взаємодії атомів енергетичні рівні розщеплюються і утворюють енергетичні зони, з-стоять з окремих, близько розташованих по енергії рівнів, число яких відповідає числу однорідних атомів в даному тілі. Сукупність рівнів, на кожному з яких можуть знаходитися електрони, називають валентної (дозволеної) зо-ної.
В енергетичному спектрі твердого тіла можна виділити три зони: валентну (дозволену) - 3, заборонену - 2 і провідності - 1.
Валентна зона характеризується тим, що всі енергетичн-ські рівні валентних електронів при температурі 0ДО заповнення-ни ними. Зона провідності характеризується наявністю електронів, володію-щих енергією, яка дозволяє їм звільнятися від зв'язку з атомами і пересуватися всередині твердого тіла під дією зовнішнього впливу (наприклад, електричного поля), при температурі 0ДО ця зона не заповнена електронами.
Заборонена зона характеризується тим, що в її межах немає енергетичних рівнів, на яких могли б перебувати електрони.
Ширина забороненої зони для більшості напівпровідників складає 0.1 - 3 еВ, а у напівпровідників, призначений-них для створення високотемпературних приладів, - 6 еВ. Для германію ця величина дорівнює 0.72 еВ, для кремнію - 1.12, для арсеніду галію - 1.4, для карбіду кремнія- 2.3 - 3,1, для фосфіду галію - 2.2 еВ.
Якщо ширина забороненої зони ΔWз> 6 еВ, то при звичайних умовах електрони практично не потрапляють в зону проводимо-сти, в зв'язку з чим, така речовина не проводить електричний струм і називається діелектриком. У металів та їх сплавів заборонена зона відсутня, тому що у них зона про-провідності і валентна зона перекриваються. Відповідно вони обла-дають хорошу провідність і називаються провідниками.
В напівпровідниках при температурі, відмінній від нуля, частина електронів має енергію, достатню для переходу в зону провідності. Електрони в зоні провідності стають вільними, їх концентрація у власному напівпровіднику позначається ni.
Догляд електрона з валентної зони призводить до розриву ковалентного зв'язку і утворення в цій зоні незаповненого (сво-Бодня) енергетичного рівня (позитивного заряду), називаються ваемого діркою, концентрація яких у власному напівпровіднику позначається pi. Валентні електрони сусідніх атомів під впливом електричного поля можуть переходити на вільні рівні, створюючи дірки в іншому місці. При цьому рух електронів можна розглядати і як рух по-ложітельних зарядів - дірок.
У абсолютно чистого і однорідного напівпровідника (концен-трація домішок настільки мала, що не робить істотного впливу на питому провідність напівпровідника), при темпе-ратурі, відмінною від 0ДО, утворюються вільні електрони і дир-ки. Процес утворення пар електрон - дірка називається генерацією. Після свого виникнення дірка під дією теплової енергії здійснює хаотичний рух в валентної зоні так само, як електрон в зоні провідності. При цьому мо-дружин процес захоплення електронів зони провідності дірками ва-лентной зони. Розірвані ковалентні зв'язки відновлюються, а носії заряду - електрон і дірка - зникають. Процес ис-чезновенія нар електрон - дірка називається рекомбінацією. Він супроводжується виділенням енергії, яка йде на нагрів кри-сталліческой решітки і частково випромінюється в навколишнє середовище.
Проміжок часу з моменту створення носія до його зникнення (рекомбінації) називається часом життя носія τ. а відстань, пройдену носієм заряду за час жит-ні, дифузійної довжиною L. Більш строго дифузійна довжина визначається як відстань, на якому концентрація носите-лей зменшується в е раз (е ≈ 2.7). Дифузійна довжина і час життя електронів і дірок пов'язані між собою співвідношеннями:
Dn і Dp - коефіцієнти дифузії електронів і дірок відповідно.
Процес заняття електронами того чи іншого енергетичн-ського рівня носить імовірнісний характер і описується функ-цією розподілу Фермі - Дірака:
W - енергія вільного електрона;
Wf - енергетичний рівень Фермі, функція Фермі для якого дорівнює 0.5 при температурах відмінних від 0ДО;
k - постійна Больцмана;
Т - абсолютна температура.
У чистому (власному) полупроводнике енергетичний рівень Фермі Wfi можна визначити з співвідношення:
Wv і Wc - стеля валентної зони і дно зони провідності відповідно.
Таким чином, рівень Фермі в беспримесном полупроводнике при будь-якій температурі розташований посередині забороненої зони.
У власному напівпровіднику в сталому равновес-ном стані процеси генерації вирівнюються процесами рекомбінації, швидкість якої пропорційна концентрації електронів і дірок:
домішкові напівпровідники
Домішковий атом, що створює в забороненій зоні енергети-ний рівень, зайнятий в збудженому стані електро-нами і віддає в збудженому стані електрон в зону провідності, називають донором.
Домішковий атом, що створює в забороненій зоні енергети-ний рівень вільний від електронів в збудженому со-стоянні і здатний захопити електрон з валентної зони при порушенні, створюючи дірки у валентній зоні, називають акцептором.
При внесенні в попередньо очищений кремній, гер-маній домішки пятивалентного елемента - донора (фосфор Р. сурма Sb. Миш'як As) атоми домішки заміщають основні атоми у вузлах кристалічної решітки. При цьому чотири з п'яти валентних електронів атома при-домішки утворюють ковалентні зв'язки з чотирма сусідніми атомами напівпровідника. П'ятий електрон виявляється надлишковим.
Енергія іонізації донорних атомів значно менше енергії іонізації власних напівпровідників. Тому при кімнатній температурі надлишкові електрони домішки викличу-даються і переходять в зону провідності. Атоми домішок, що втратили надлишковий електрон, перетворюються в позитивні іони. Кількість електронів N д. переходять під дією теплової енергії в зону провідності з донорного рівня Wд. значно перевищує кількість електронів ni. переходять в зону провідності з валентної зони в процесі генерації пар електрон - дірка. Тому можна вважати, що концентрація електронів провідності повністю визначається концентрацією донорної домішки nn≈Nд. а концентрація дірок становить:
Концентрація дірок в донорно напівпровіднику значи-тельно нижче, ніж у власному напівпровіднику. У зв'язку з цим дірки pn є неосновними носіями, а електрони nn - основними. Тому донорний напівпровідник називається електрон-тронним полупроводником або напівпровідником n-типу.
При додаванні в кристал германію або кремнію домішки тривалентного елемента - акцептора (галій Ga. Індій In, бор В) атоми домішки заміщають в вузлах кристалічної решітки атоми напівпровідника. Для освіти чотирьох ковалентних зв'язків не вистачає одного валентного електрона атомів домішки.
Досить невеликий зовнішньої енергії, щоб електрони з верхніх рівнів валентної зони перемістилися на рівень домішки, утворивши відсутні ковалентні зв'язки.
При цьому в валентної зоні з'являються надлишкові рівні (дірки), які беруть участь у створенні електричного струму. За рахунок іонізації атомів вихідного матеріалу частина електронів з валентної зони потрапляють в зону провідності. Число дірок в акцепторном полупроводнике перевищує число електронів:
Тому дірки pp є основними носіями, а електрон-трони np - неосновними. Напівпровідники з акцепторной примі-сом звуться доручених, або напівпровідників p-типу.