Тема 1: Фізичні основи напівпровідникових приладів
Напівпровідникові матеріали
Всі тверді речовини за своїми електричними властивостями поділяють на провідники, напівпровідники і діелектрики.Напівпровідники займають по електропровідності проміжне положення між металами (провідниками електричного струму) і діелектриками. Питомий електричний опір провідників становить ρ = 10 -4 Ом см, напівпровідників - ρ = 10 -4 - 10 10 Ом см, діелектриків - ρ = 10 10 Ом см і вище.
Для виготовлення напівпровідникових приладів в даний час використовують крім германію та кремнію деякі хімічні сполуки, наприклад арсенід галію, окис титану, індій індію, фосфід індію та ін Найбільш широко застосовують кремній і германій.
Германій і кремній - елементи четвертої групи періодичної системи Д.І. Менделєєва, тобто є чотиривалентний елементами. У валентній зоні кожного атома германію та кремнію є по чотири валентних електрона. Германій і кремній мають атомні кристалічні решітки. Зв'язок між атомами в таких гратах парноелектронная або ковалентний. Кожен атом у них пов'язаний із сусіднім двома електронами - по одному від кожного атома. Схематичне зображення кристала германію на площині показано на рис.1. Кожен атом в монокристалі германію оточений чотирма сусідніми атомами, з якими він пов'язаний парноелектроннимі зв'язками. У результаті валентна оболонка кожного атома має вісім електронів, тобто виявляється повністю заповненою. У такому кристалі всі валентні електрони пов'язані між собою міцними парноелектроннимі зв'язками. Вільних електронів, які могли б брати участь в перенесенні зарядів, немає.
Малюнок 1
Чисті напівпровідники при нулі абсолютної температури (Т = 0єК) є ідеальними діелектриками.
Однак у нормальних умовах, при кімнатній температурі, деякі валентні електрони кристалічної решітки отримують енергію, достатню для розриву ковалентного зв'язку, тобто для переходу електрона з валентної зони в зону провідності. Внаслідок розриву одного парноелектронной зв'язку утворюються два носії заряду: електрон і дірка.
Електрон, як відомо, є носієм елементарного негативного заряду. При розриві парноелектронной зв'язку електрон відривається від атома, після чого один зв'язок в атомі виявляється незаповненою - вільної.
Незаповнена електронна зв'язок в кристалічній решітці напівпровідника називається діркою. Дірка має позитивним зарядом, за абсолютною величиною рівним заряду електрона, і, отже, є носієм позитивного заряду.
Дірка може бути заповнена електроном, що відірвався від сусіднього атома. Процес заповнення електроном дірки називається рекомбінацією. При цьому в сусідньому атомі на місці пішов електрона утворюється нова дірка.
У звичайних умовах, тобто при кімнатній температурі, процес виникнення пари електрон - дірка і рекомбінація відбуваються безперервно. У результаті встановлюється динамічна рівновага, при якому в чистому напівпровіднику концентрація електронів дорівнює концентрації дірок.
Наявність носіїв зарядів у напівпровіднику пояснює його провідність. Провідність чистого напівпровідника, обумовлена електронами і дірками, що виникають тільки в результаті розриву парноелектронних зв'язків, називається власною провідністю.
При відсутності зовнішнього електричного поля електрони і дірки переміщуються в обсязі напівпровідника безладно. Якщо ж до напівпровідника прикласти напругу, то в ньому виникає впорядкований рух електронів у одному напрямку і дірок в іншому - протилежному напрямку. Через напівпровідник протікає струм, який дорівнює сумі струмів електронного I n і діркового I p, тобто
I = I n + I p. (1.1)
Струм, що протікає в напівпровіднику при рівноважній концентрації носіїв зарядів (електронів і дірок), називається дрейфовий струмом чи струмом провідності.
Щільність дрейфового струму визначає питому електропровідність напівпровідників σ. Так, для германію питома електропровідність
σ Ge = 2 10 -2 Ом -1 см -1, а для кремнію
σ Si = 4 10 -6 Ом -1 см -1, тобто σ Ge>> σ Si.
З підвищенням температури питома електропровідність збільшується за експоненціальним законом.
Напівпровідник без домішок називають власним напівпровідником або напівпровідником і - типу. Він володіє власною електропровідністю, яка, як було показано, складається з електронної та діркової електропровідності.
Якщо в напівпровіднику є домішки інших речовин, то додатково до власної електропровідності з'являється ще домішкова електропровідність, яка в залежності від роду домішки може бути електронною або доречний.
Для отримання напівпровідника з електронною електропровідністю в чистий напівпровідник - германій або кремній - вводять невелику кількість елементу п'ятої групи періодичної системи елементів: сурми (Sb), миш'яку (As), фосфору (P). Їх атоми взаємодіють з атомами германію тільки чотирма своїми електронами (рис.2) утворюючи міцні парноелектронние зв'язку з чотирма сусідніми атомами германію. П'ятий валентний електрон, наприклад атома миш'яку, в освіті парноелектронной зв'язку не бере участь. Тому він виявляється слабо пов'язаним зі своїм атомом і може бути легко відірваний від нього. У результаті він перетворюється на вільний електрон, який може вільно переміщатися в об'ємі напівпровідника, створюючи електронну провідність.
Атом миш'яку, що втратив один електрон, перетворюється в позитивний іон, який виявляється нерухомим, так як і надійно утримується у вузлі кристалічної решітки парноелектроннимі зв'язками.
Рухливі носії зарядів, концентрація яких у цьому напівпровіднику переважає, називаються основними носіями зарядів.
Елементи, атоми яких віддають свої електрони, створюючи в напівпровіднику надлишок вільних електронів, називаються донорами.
Зазвичай донорами для германію є миш'як і сурма, а для кремнію - фосфор і сурма.
У напівпровіднику з донорними домішками електрони є основними носіями зарядів, а дірки - не основними.
Провідність, обумовлена наявністю в напівпровіднику надлишкових вільних електронів, називається електронною провідністю.
Напівпровідник, в якому основними носіями зарядів є електрони, називається електронним напівпровідником або напівпровідником n - типу.
Для отримання напівпровідника з діркової електропровідністю в кристал чистого германію вводять домішки тривалентних елементів: індій (In) і галій (Ga) для германію; бор (В) і алюміній (Al) для кремнію. При цьому три валентних електрона, наприклад індію, утворюють три парноелектронние зв'язку з сусідніми атомами германію. У результаті теплового руху електрон одного з сусідніх атомів германію може перейти в незаповнену зв'язок атома індію. В атомі германію з'явиться одна незаповнена зв'язок - дірка (рис.3). Захоплений атомом індію, четвертий електрон утворює парноелектронную зв'язок і міцно утримують атомом індію. Атом індію стає при цьому нерухомим негативним іоном.
Домішки, атоми яких захоплюють і міцно утримують електрони атомів напівпровідника, називаються акцепторними або акцепторами.
Провідність, обумовлена наявністю в напівпровіднику надлишку рухливих дірок, тобто перевищенням їх концентрації над концентрацією електронів, називається діркової провідністю або провідністю р - типу.
Основними носіями зарядів у напівпровіднику з акцепторної домішкою є дірки, а не основними - електрони.
Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є дірки, називаються дірковими напівпровідниками або напівпровідниками р - типу.
Рисунок 2 Рисунок 3
Електричний струм у напівпровіднику може бути викликаний двома причинами:
дією зовнішнього електричного поля;
нерівномірним розподілом концентрації носіїв зарядів за обсягом напівпровідника.
Направлений рух рухомих носіїв зарядів під впливом електричного поля називають дрейфом (дрейфові рух), а під впливом різниці концентрацій носіїв зарядів - дифузією (дифузійне рух). Нерівномірність концентрації зарядів у будь-якій частині напівпровідника може виникнути під дією світла, тепла електричного поля та ін
У залежності від характеру руху носіїв зарядів розрізняють відповідно дрейфовий і дифузійний струми в напівпровідниках.
Електронно - дірковий перехід (p - n - перехід)
Область на межі двох напівпровідників з різними типами електропровідності називається електронно - дірковим переходом або pn - переході.Нехай зовнішня напруга на переході відсутня. Так як носії зарядів у кожному напівпровіднику здійснюють безладне тепловий рух, це відбувається їх дифузія з одного напівпровідника в інший. З напівпровідника n - типу в напівпровідник р - типу дифундують електрони, а у зворотному напрямку з напівпровідника р - типу в напівпровідник n - типу дифундують дірки (рис.4, б). У результаті дифузії носіїв зарядів по обидві сторони кордону розділу двох напівпровідників з різним типом електропровідності створюються об'ємні заряди різних знаків. В області n виникає позитивний об'ємний заряд, який утворений позитивно зарядженими атомами донорної домішки. Подібно до цього в області р виникає негативний об'ємний заряд, утворений негативно зарядженими атомами акцепторної домішки.
а) б)
Малюнок 4
Між утворилися об'ємними зарядами виникають так звана контактна різниця потенціалів: u K = Φ n - φ p і електричне поле, спрямоване від n - області до p - області.
Як видно, в pn - переході виникає потенційний бар'єр, який препятсвует дифузії основних носіїв зарядів.
Висота потенційного бар'єра дорівнює контактної різниці потенціалів і звичайно становить десяті частки вольта. Висота потенційного бар'єра зростає при збільшенні концентрації домішок у відповідних областях, при цьому товщина pn - переходу d зменшується. Для германію, наприклад, при середній концентрації домішок u K = 0,3 - 0,4 В і d = 10 -4 - 10 -5 см, а при великих концентраціях - u До ≈ 0,7 В і d = 10 -6 см. Зі збільшенням температури висота потенційного бар'єра зменшується.
Одночасно з дифузійним переміщенням основних носіїв через кордон відбувається і зворотне переміщення носіїв під дією електричного поля контактної різниці потенціалів. Таке переміщення не основних носіїв зарядів називається дрейфовий.
При відсутності зовнішнього електричного поля через pn - перехід протікають два струму: ток дифузії і струм дрейфу.
Струм дифузії і струм дрейфу через pn - перехід протікають назустріч один одному і взаємно компенсуються. Сумарний струм через pn - перехід дорівнює нулю.
При утворенні контактної різниці потенціалів по обидва боки кордону розділу напівпровідників утворюється шар зі зниженою концентрацією основних носіїв зарядів. Він володіє підвищеним опором і називається замикаючим шаром. Товщина його кілька мікрон.
Зовнішнє напруга U, прикладена плюсом до p - області pn - переходу, а мінусом до n - області, називається прямою напругою U пр.
Якщо до pn - переходу прикладено зовнішнє пряме напруга U пр, то створюване їм зовнішнє електричне поле E пр виявляється спрямованим назустріч електричному полю pn - переходу-E к. У результаті цього висота потенційного бар'єра знижується на величину зовнішньої напруги. Одночасно зменшується товщина замикаючого шару (d пр <d) і його опір в прямому напрямку стає малим. Так як висота потенційного бар'єра знижується, зростає дифузійний струм, так як більше число носіїв зарядів може подолати знижений бар'єр. Струм дрейфу при цьому майже не змінюється, оскільки він залежить головним чином від числа не основних носіїв, що потрапляють за рахунок своїх теплових швидкостей на pn - перехід з p - і n - областей.
Малюнок 5
При прямій напрузі I диф> I ін і тому повний струм через перехід тобто прямий струм, вже не дорівнює нулю:
I пр = I диф - I ін> 0. (1.2)
Струм, що протікає через pn - перехід під дією прикладеного до нього прямого зовнішнього напруги, називається прямим струмом. Протікає через pn - перехід прямий струм направлений з p - області в n - область.
Введення носіїв зарядів через pn - перехід при дії прямого зовнішнього напруги в область напівпровідника, де ці носії є не основними, називається інжекцією.
Зовнішнє напруга, прикладена "плюсом" джерела живлення до n - області pn - переходу, а "мінусом" до p - області називається зворотним.
Малюнок 6
Під дією зворотної напруги U обр через перехід протікає дуже невеликий зворотний струм I обр, що пояснюється наступним чином. Поле, створюване зворотною напругою E обр, складається з полем контактної різниці потенціалів E к. У результаті цього потенційний бар'єр підвищується, а товщина самого замикаючого шару збільшується (d обр> d). Цей шар ще сильніше збіднюється носіями, і його опір значно зростає, тобто R обр>> R пр.
Зовнішнє поле відтягує основні носії зарядів від pn - переходу. Переміщення вільних носіїв зарядів через pn-перехід зменшується, і при зворотній напрузі, рівному U обр = 0,2 В, струм дифузії через перехід припиняється, тобто I диф = 0, так як власні швидкості носіїв недостатні для подолання потенційного бар'єру. Однак не основні носії переміщуватимуться через pn - перехід, створюючи струм, що протікає з n-області в p - область (зворотний струм I обр). Він є дрейфовий струмом (струмом провідності) не основних носіїв через pn - перехід. Значне електричне поле, що створюється зворотною напругою, перекидає через pn - перехід будь-який не основний носій заряду, що з'явився в цьому полі.
Виведення не основних носіїв через pn - перехід електричним полем, створеним зворотною напругою, називають екстракцією носіїв зарядів.
Таким чином, pn - перехід пропускає струм в одному напрямку - прямому, і не пропускає струм в іншому напрямку - зворотному, що визначає вентильні властивості pn - переходу.
Вольт-амперної характеристикою (ВАХ) pn - переходу називається залежність струму, що протікає через pn - перехід від прикладеної зовнішньої напруги I = f (U) (рис.7).
Малюнок 7 - Вольт-амперна характеристика pn - переходу: 1 - пряма гілка; 2 - зворотна гілка при лавинному пробої; 3 - зворотна гілка при тепловому пробої
Пряму 1 і зворотний 2 гілки ВАХ зображують у різному масштабі, оскільки у нормальному режимі роботи pn - переходу зворотний струм на кілька порядків менше прямого.
При досягненні зворотною напругою деякої критичної величини U проб відбувається різке зменшення опору pn - переходу. Це явище називається пробоєм pn - переходу, а відповідне йому напругу - напругою пробою. Розрізняють електричний і тепловий пробій. Електричний пробій (ділянка АБВ характеристики) є оборотним, тобто при цьому пробої в переході не відбувається необоротних змін (руйнування структури речовини). Можуть існувати два види електричного пробою: лавинний і тунельний.
Лавинний пробій пояснюється лавинним розмноженням носіїв за рахунок ударної іонізації і за рахунок виривання електронів з атомів сильним електричним полем. Цей пробою характерний для pn - переходів великої товщини, які утворюються при порівняно малій концентрації домішок у напівпровідниках. Пробивна напруга для лавинного пробою становить десятки або сотні вольт.
Явище ударної іонізації полягає в тому, що при більш високому зворотній напрузі електрони набувають велику швидкість і, б'ючи в атоми кристалічної решітки, вибивають з них нові електрони, які, у свою чергу, розганяються полем і також вибивають з атомів електрони. Такий процес посилюється з підвищенням напруги.
Тунельний пробій пояснюється явищем тунельного ефекту. Сутність останнього полягає в тому, що при полі напруженістю більше 10 5 В / см, що діє в pn - переході малої товщини, деякі електрони проникають через перехід без зміни своєї енергії. Тонкі переходи, в яких можливий тунельний ефект, виходять при високій концентрації домішок. Напруга, відповідне тунельного пробою, зазвичай не перевищує одиниць вольт.
Області теплового пробою відповідає на рис.7 ділянку ВГ. Тепловий пробій незворотній, т.к він супроводжується руйнуванням структури речовини в місці pn - переходу. Причиною теплового пробою є порушення стійкості теплового режиму pn - переходу. Це означає, що кількість теплоти, що виділяється в переході від нагрівання його зворотним струмом, перевищує кількості теплоти, що відводиться від переходу. У результаті температура переходу зростає, опір його зменшується і струм збільшується, що приводить до перегріву переходу і його тепловому руйнуванню.
Малюнок 8 - Вольт-амперна характеристика pn-переходу: 1 - при 20 ° С; 2 - при 50 ° С
На електропровідність напівпровідників значний вплив робить температура. При підвищенні температури посилюється генерація пар носіїв зарядів, тобто збільшується концентрація носіїв і провідність зростає. При підвищенні температури прямої і зворотний струм зростають. Для pn - переходів на основі германію зворотний струм зростає приблизно в 2 рази при підвищенні температури на кожні 10 ° C; на основі кремнію - при нагріванні на кожні 10 ° C зворотний струм збільшується приблизно в 2,5 рази. Прямий струм при нагріванні pn - переходу зростає не так сильно, як зворотний. Це пояснюється тим, що прямий струм виникає головним чином за рахунок домішкової провідності, а концентрація домішок не залежить від температури.
Бар'єрна (зарядна) і дифузійна ємність pn - переходу
Замикаючий шар має високий опір і грає роль діелектрика, а по обидва його боки розташовані два різнойменних об'ємних заряду + Q обр і - Q обр, створені іонізованими атомами донорної та акцепторної домішки. Тому pn-перехід має ємність. Цю ємність називають бар'єрної ємністю.При прямій напрузі крім бар'єрної ємності існує дифузійна ємність. Дифузійна ємність характеризує накопичення рухомих носіїв зарядів у p - і n - областях при прямій напрузі на переході, коли носії зарядів у великій кількості дифундують (інжектується) через знижений потенційний бар'єр і, не встигнувши рекомбінувати, накопичуються в p - і n - областях.
Дифузійна ємність значно більше бар'єрної.
Рисунок 9 - Залежність ємності pn-переходу від прикладеної напруги