Материал: Електронно-дірковий перехід

ФІЗИЧНІ ОСНОВИ РОБОТИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПРИЛАДІВ

Напівпровідники та їх фізичні властивості

Для побудови напівпровідникових приладів використовують різноманітні речовини, яки поділяють на провідники, діелектрики та напівпровідники. Названі речовини відрізняються електропровідністю.

Напівпровідники (НП) мають тверду кристалічну структуру і за провідністю (104 - 10-10 См/см) займають проміжне місце між провідниками ( 104 - 106 См/см) та діелектриками (10-10 См/см та менше).

При виготовленні НП приладів частіше використовують кремній (Si - має робочу температуру до 140?С), германій (Ge - найбільша робоча температура 75?С), арсенід галію (GaAs - працює при температурі до 350-400?С). До НП також відносять селен, індії, деякі окисли, карбіди та сульфіди.

Розглянемо механізм електропровідності НП на прикладі кристалічних граток германію, що є елементом IV групи періодичної системи Менделєєва.

Чистий (бездомішковий) германій має регулярну геометричну гратку атомів, які розміщені у вузлах кристалічних граток. Їх зв'язок з іншими атомами здійснюється за допомогою чотирьох валентних електронів.

Зазначимо, що електрони, яки розташовані на зовнішній орбіті атома речовини, мають назву валентних. У провідників електрони слабко зв'язані з ядром і тому досить легко покидають свої атоми - стають вільними. У НП усі валентні електроні міцно зчеплені з кристалічними гратками завдяки ковалентному зв'язку. Кожна пара валентних електронів належить водночас двом сусіднім атомам. Подвійні лінії між вузлами вказують на ковалентний характер зв'язку. Доки цей зв'язок існує, електрони не можуть переносити електричний заряд.

Згідно із зонною теорією твердого тіла, електрони атома мають відповідну енергію і розташовуються на відповідних енергетичних рівнях. Електрони розташовані ближче до ядра атома, мають меншу енергію, тобто знаходяться на нижніх енергетичних рівнях. Розподіл електронів за рівнями енергії схематично показано на рис.1.б. Горизонтальними лініями зображені рівні енергії електронів. Енергетичні рівні об'єднуються в дозволені зони.

Нижня дозволена зона, яка при температурі абсолютного нуля повністю заповнена електронами, називається валентною. Надвалентна зона, яка при температурі абсолютного нуля порожня або частково заповнена електронами, називається зоною провідності. Електроні цієї зони називають електронами провідності.

У металів зона провідності безпосередньо прилягає до валентної зони, тому в металах велика кількість електронів має енергію, достатню для переходу з валентної зони в зону провідності. Вони здійснюють безладний хаотичний рух та забезпечують високу електропровідність металів.

У НП та діелектриків, між зоною провідності та валентною зоною знаходиться заборонена зона. Вона об'єднує рівні енергії, на яких електрони не можуть знаходитись. У НП ширина забороненої зони ?W складає біля одного електрон-вольта (еВ) (?WGe=0,72 еВ - для германію; ?WSi=1,12 еВ - для кремнію).

Деякі характерні особливості НП від провідників.

Вплив температури на електричні властивості НП

У ідеальному кристалу НП при температурі абсолютного нуля валентна зона повністю заповнена електронами, а зона провідності порожня. НП є ізолятором ( ідеальним діелектриком ) і його електричний опір нескінченний.

При підвищенні температурі НП частина валентних електронів розриває ковалентні зв'язки долають заборонену зону і переходять в зону провідності. На вільному енергетичному рівні у валентній зоні виникає дірка, яка має позитивний заряд. Процес утворення пар носіїв заряду ( електронів у зоні провідності та дірок у валентній зоні ) називають термогенерацією зарядів. Дірка з часом може заповнюватися електроном із сусіднього атома, у якого на місці залишеного зв'язку виникає нова дірка. Від температури залежить інтенсивність руху електронів і дірок ( генерації пар носіїв ) у напівпровіднику, що і визначає його електропровідність. З підвищенням температури електропровідність напівпровідника зростає. Якщо до НП не прикладена електрична напруга, то електрони та дірки здійснюють хаотичний тепловий рух і ніякого струму немає. Кристал залишається електричне нейтральним.

У власних ( бездомішкових ) НП число валентних електронів повинно дорівнювати числу дірок ( ni = pi ), оскільки при розриві ковалентного зв'язку одночасно створюються і вільний електрон і дірка.

2) Вплив електричного поля на НП

Якщо тепер помістити НП в електричне поле, то рух носіїв заряду (електронів та дірок) стає направленим - це є струм провідності. Повний струм провідності складається з електронного Іn та діркового струмів Іp:

,

де: питома провідність НП;

q = 1,610-19 Кл - заряд електрона;

ni,pi - концентрації носіїв(електронів, дірок) та їхня рухомість - n,р;

Е - напруженість електричного поля.

Незважаючи на те, що дірки рухаються в протилежних напрямах, їхні струми складаються, бо рух дірок являє собою переміщення електронів. Треба підкреслити, що рухомість дірок менше ніж рухомість електронів, а тому діркова складова менша від електронної.

Залежність електропровідності НП від виду домішок

Власна провідність НП звичайно невелика. Значно більшу провідність мають НП з домішками. Якщо в кристалі НП замінити один з його атомів атомом домішки з п'ятьма валентними електронами, то атом домішки внесе на один електрон більше, ніж необхідно для заповнення ковалентних зв'язків. Цей лишній електрон може стати рухомим і вільним без розриву ковалентних зв'язків і, таким чином, без утворення дірки. При вивільнені п'ятого електрона залишається позитивно заряджений іон, закріплений у вузлі кристалічної гратки

Домішка, що віддає вільні електрони, називається донорною. НП з переважаючою кількістю вільних електронів ( nn pn ) називають напівпровідником n - типу. В цьому випадку вільні електрони називають основними носіями заряду, а дірки - неосновними. НП n - типу мають від'ємний заряд. У якості донорної домішки для германію і кремнію використовуються фосфор, миш'як та сурма.

Розглянемо введення у германій домішки з трьома валентними електронами, наприклад індію (In). Для утворення ковалентного зв'язку між Ge та In одного електрона не вистачає. Електрон з верхнього рівня валентної зони переміщується на рівень домішки створюючи ковалентний зв'язок, якого невистачало. Завдяки чому у валентній зоні утворюються рухомі дірки, а атоми домішки перетворюються у негативні іони. Така домішка називається акцепторною, а НП р - типу. Основними носіями заряду в даному випадку є дірки ( pр nр ), а неосновними - електрони. НП р - типу має позитивний заряд. Як акцептори в германії і кремнії використовуються бор, алюміній та ін.

Фізичні процеси в електронно-дірковому переході

Шар на межі двох напівпровідників з електропровідністю р- і n- типу називається електронно-дірковим переходом (ЕДП), або р- n- переходом.

Принцип дії більшості напівпровідникових приладів ( діодів, транзисторів та ін.) базується на використанні фізичних процесів, що відбуваються у р- n- переході.

Розглянемо основні фізичні процеси у р- n- переході (Рис. 2 ). Допустимо, що концентрація основних носіїв у р- і n- областях однакова.

а б в

Рис. 3. Процеси в р-n-переході

ЕДП при відсутності зовнішнього електричного поля

При об'єднанні двох напівпровідників з різними типами провідності має місце градієнт концентрації дірок та електронів, що викликає взаємну дифузію носіїв - електронів із n- шару у р- шар, а дірок у протилежному напрямку. Це дифузійне переміщення електронів та дірок показане на рис. 3, а стрілками. Внаслідок дифузії носіїв у приконтактний зоні напівпровідників утворюються об'ємні заряди різних знаків ( у НП n-типу - позитивний заряд, завдяки іонам донорної домішки; у НП р-типу - негативний заряд, завдяки іонам акцепторної домішки). Між цими зарядами виникає внутрішнє електричне поле з напруженістю - Ек та контактна різниця потенціалів, яку називають потенціальним бар'єром - к. Вектор напруженості Ек має такий напрямок, що гальмує рух основних носіїв заряду (зменшує дифузійні складові струму ) та прискорює рух неосновних (зростають дрейфові складові струму). Результуючий струм через перехід у сталому становищі буде дорівнювати нулю:

,

де Іпдиф, Ірдиф - електрона та діркова дифузійні складові струму;

Іпдр, Ірдр - електрона та діркова дрейфові складові струму.

Висоту потенціального бар'єру визначають рівнянням:

к=n - р,

де n - потенціал n-області; р - потенціал р-області.

Величина к залежить від матеріалу НП і його температури. У германієвих переходів к = (0,3 - 0,4)В, у кремнієвих - к = (0,6 - 0,8)В.

Оскільки у р- n- переході відсутні рухомі носії зарядів, то його електричний опір дуже великий.

ЕДП при прямому вмиканні зовнішньої напруги

При прямому вмиканні р- n- переходу, як показано на рис. 3, б, до р- області ввімкнути плюс джерела зовнішньої напруги Uпр, а до n- області - мінус. Зовнішнє електричне поля Епр буде спрямоване назустріч внутрішньому Ек і результуюча напруженість зменшується Ерез= Епр - Ек. Різниця потенціалів на переході становить пр=к - Uпр. Потенціальний бар'єр знижується, опір р-n- переходу зменшується і росте число носіїв, які можуть подолати його. Внаслідок цього дифузійні складові струму Ідиф зростають, а дрейфові Ідр зменшуються. Через p-n- перехід тече прямий струм

Іпр= Ідиф - Ідр?Ідиф > 0,

якій обумовлюється дифузійною складовою струму і є великим за величиною.

Оскільки градієнти концентрації дуже великі, потрібна невелика напруга (Uпр < 1 В), щоб одержати великі струми.

Таким чином, при прямій напрузі зніжується потенціальний бар'єр р- n- переходу, його опір стає малим (одиниці-десятки Ом), прямий струм виросте і буде залежати тільки від опору р- і n- областей.

ЕДП при зворотньому вмиканні зовнішньої напруги

При зворотному вмиканні p-n - переходу, як показано на рис. 2, в, до р- п - переходу прикладається зовнішня напруга Uзв, полярність якої не збігається з типом ділянок переходу. У результаті поле в p-n - переході становить Ерез = Езв+Ек. Висота потенціального бар'єру зв=к +Uзв і опір p-n - переходу зростають, дифузійна складова струму Ідиф зменшується, дрейфова Ідр практично не змінюється і через перехід протікає зворотний струм

Ізв= Ідиф - Ідр? - Ідр,

який визначатиметься концентрацією неосновних носіїв заряду і незначний за величиною. Цей струм називають тепловим струмом.

Таким чином, р-n-перехід має вентильні властивості, тобто при прямому вмиканні його опір малий, а при зворотному - значний.

Із збільшенням зворотної напруги збільшується не тільки висота потенціального бар'єру, але й товщина р- n- переходу і його опір значно зростає.