Электрофизические свойства полупроводников

Все вещества образованы атомами, состоящими из положительно заряженных ядер и вращающихся вокруг них отрицательно заряженных электронов. Ядро включает электрически нейтральные частицы — нейтроны и положительно заряженные протоны. Количество протонов определяет заряд ядра. Отрицательный заряд электрона по величине равен положительному заряду протона. В нормальном состоянии число электронов, образующих электронную оболочку атома, равно числу протонов в ядре, и атом электрически нейтрален. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, сгруппированным в слои. Каждому слою соответствует строго определенная энергия электрона W (так называемый разрешенный энергетический уровень). Количество электронов в слоях строго определено: в первом, ближайшем к ядру слое может находиться нс более двух электронов, во втором — не более восьми и т. д. Электроны целиком заполненных слоев устойчивы к внешним воздействиям. «Не уместившиеся» во внутренних слоях электроны образуют незаполненный внешний слой, который легко отдает и принимает электроны. Эти электроны определяют валентность элемента при химических реакциях. Чем дальше от ядра расположена орбита электрона, тем большей энергией он обладает. Под воздействием энергии теплоты, света, радиации или каких-либо других внешних факторов электрон из валентной зоны может перейти на новую, более удаленную от ядра орбиту. Такой электрон называется возбужденным, а при дальнейшем увеличении энергии, называемой работой выхода, электрон покидает поверхность вещества.

В кристалле происходит взаимодействие между соседними атомами, заключающееся в том, что на электроны атома воздействуют ядра соседних атомов. В результате разрешенные энергетические уровни электронов смещаются и расщепляются на несколько — по числу соседних атомов в кристаллической решетке. Эти уровни создают энергетические зоны. Совокупность энергетических уровней, соответствующих внешнему слою электронов, образует валентную зону. Разрешенные уровни энергии, которые остаются незанятыми, составляют зону проводимости, так как ее уровни могут занимать возбужденные электроны, обеспечивающие электропроводность вещества. Между валентной зоной и зоной проводимости может располагаться запрещенная зона.

Зонная структура лежит в основе разделения веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики. На рис. 1.1 показано расположение энергетических зон для этих групп веществ. У проводников (металлов) валентная зона 1 и зона проводимости 2 перекрывают друг друга (рис. 1.1, а) и валентные электроны легко переходят в зону проводимости. У диэлектриков (рис. 1.1, 6) ширина запрещенной зоны велика (более 6 эВ (электрон-вольт)), и для перехода валентных электронов в зону проводимости надо сообщить значительную энергию (такой процесс происходит при пробое изоляции). У полупроводников (рис. 1.1, в) запрещенная зона относительно мала и колеблется от 0,1 до 3,0 эВ.

Рис. 1.1. Энергетические зоны проводника (я), диэлектрика (б) и полупроводника (в):

• 1 — валентная зона; 2 — зона проводимости;
• 3 — запрещенная зона

В кристаллической решетке четырехвалентного полупроводника (например, кремния) каждый атом связан с четырьмя соседними атомами с помощью двух валентных электронов — но одному от каждого атома. Такая связь называется ковалентной. При ее образовании электрон принадлежит уже не одному, а обоим связанным между собой атомам, т. е. является для них общим. В результате вокруг каждого ядра образуется восьмиэлектронная оболочка, устойчивая к внешним воздействиям. Так как все валентные электроны оказываются прочно связанными между собой, свободных электронов, способных обеспечить электропроводность, нет. Такую структуру имеют химически чистые полупроводники при температуре абсолютный нуль (рис. 1.2, а).

Рис. 1.2. Кристаллическая структура чистого полупроводника (я), полупроводника с донорной (б) и акцепторной (в) примесью Под воздействием внешних факторов (например, при повышении температуры) отдельные электроны атомов кристаллической решетки приобретают энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей, и становятся свободными.

При освобождении электрона от ковалентной связи в кристаллической решетке возникает как бы свободное место, обладающее положительным зарядом. Такое место называется дыркой, а процесс образования пары «свободный электрон — дырка» — генерацией. В дырку может «перескочить» валентный электрон из ковалентной связи соседнего атома. В результате ковалентная связь в одном атоме восстановится (этот процесс называется рекомбинацией), а в соседнем разрушится, образуя новую дырку. Такое перемещение дырки по кристаллу равносильно перемещению положительного заряда.

При отсутствии внешнего электрического поля дырки перемещаются хаотически. Если же приложить к кристаллу разность потенциалов, то под действием созданного электрического поля движение дырок и электронов становится упорядоченным, и в кристалле возникает электрический ток. Таким образом, проводимость полупроводника обусловлена перемещением как отрицательно заряженных электронов, так и положительно заряженных дырок. Соответственно различают два типа проводимости — электронную, или проводимость п-типа, и дырочную, или проводимость р-типа.

Для создания полупроводниковых элементов широко применяют примесные полупроводники. С четырехвалентным германием и кремнием используют пятивалентные (мышьяк, сурьму, фосфор) и трехвалентные примеси (бор, алюминий, индий, галлий).

В случае пятивалентной примеси (рис. 1.2, б) четыре валентных электрона примесного атома совместно с четырьмя электронами соседних атомов основного вещества образуют ковалентные связи, а пятый валентный электрон оказывается «лишним». В результате даже при комнатной температуре «лишние» электроны легко освобождаются от своих атомов, переходя в зону проводимости. В таких полупроводниках электропроводность обеспечивается главным образом избытком свободных электронов. Их называют полупроводниками n-типа, а примеси — донорными.

За счет тепловой энергии в полупроводнике n-типа могут образовываться и отдельные дырки при генерации нар «свободный электрон дырка». Поэтому электроны в полупроводнике n-типа называют основными, а дырки — неосновными носителями зарядов.

При введении трехвалентной примеси (рис. 1.2, в) в одной из ковалентных связей примесного атома и атома основного полупроводника отсутствует электрон, т. е. образуется дырка. Разрешенные энергетические уровни валентных зон примеси и основного полупроводника находятся рядом. Электрон валентной зоны атома основного полупроводника легко захватывается трехвалентным атомом примеси, в результате чего дырка образуется уже в атоме основного полупроводника и, таким образом, перемещается по кристаллической решетке. Дырки в таких полупроводниках становятся основными носителями зарядов, создавая эффект перемещения положительных зарядов. Трехвалентные примеси называют акцепторными, а полупроводники с такой примесыо — полупроводниками р-типа. Неосновными носителями в этом случае выступает небольшое количество свободных электронов, образовавшихся в результате тепловой генерации пар «свободный электрон — дырка».