ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕОРИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
план-конспект занятия

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕОРИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Полупроводниками называют материалы, внутри которых, в следствие движения электронов, появляется электрический ток, а показатель удельного сопротивления заключается в интервале между проводниками и диэлектриками.

К таким проводникам можно отнести ряд химических элементов IV, V и VI категорий из таблицы Д. И. Менделеева — графит, кремний, германий, селен и прочие, а также большинство окисей и иных соединений различных металлов. Число подвижных электронов внутри вещества, в основном, небольшое, но оно увеличивается в тысячи раз при под механическим воздействием внешней среды:

    -Повышение температуры,

    -Действие ультрафиолета

    -Наличие в составе определенных добавок.

Полупроводники бывают 2-х видов: собственные и примесные, в свою очередь примесные разделяются на донорные и акцепторные.

Собственный полупроводник. Дырки

Как можно догадаться собственным называется такой полупроводник, который не имеет примесей. Для примера возьмём Si (кремний).

Этот элемент имеет 4 электрона на внешней оболочке. Кремний легко разделяет свои электроны с другими атомами кремния, образуя при этом валентные связи. Валентная связь - это такая связь, при которой атомы делят между собой общую пару электронов.

Валентную связь можно представить себе как детей (атомы), которые обменялись игрушками (электронами) друг с другом и продолжают играют вместе.

Структура кристаллической решётки кремния.

Электроны во всех связях будут присутствовать только при температуре абсолютного нуля. Если температура не равна нулю, то как известно, электроны имеют вероятность перейти из валентной зоны в зону проводимости. Чем выше температура - тем больше вероятность.

При температуре выше нуля некоторые связи разрушатся, а электроны перейдут в зону проводимости, оставив на своём месте нескомпенсированный положительный заряд - дырку.

Так как атом система нейтральная, то при отщеплении отрицательного заряда должен остаться равный по величине положительный заряд.

Дырка - это "частица", которая по массе равна электрону, но имеет положительный заряд.

Вылет электрона из связи и образование дырки.

Получается, что при переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости в валентной зоне остаётся дырка, то есть вакантное место для другого электрона.

При приложении внешнего напряжения электроны будут принимать участие в процессе протекания тока. Таким образом можно сделать вывод, что собственный полупроводник (его ещё называют полупроводником i-типа) - это полупроводник без примесей, в котором носители заряда появляются только за счёт теплового воздействия. Так же стоит отметить, что количество дырок равно количеству электронов.

Донорный полупроводник. Электронная проводимость

Донорный полупроводник - это полупроводник, в который добавили донорную примесь. Донор, значит что-то отдаёт. В нашем случае донор отдаёт избыточные электроны. Рассмотрим в качестве примера атом Si, в который в качестве донорной примеси добавили атом F (фосфор).

Фосфор имеет 5 электронов на внешней оболочке, 4 из которых легко образуют валентную связь с атомами кремния. Пятый электрон остаётся не задействован ни в одной связи.

Донорная примесь фосфора в кристалле кремния.

Так как пятый электрон слабо связан с атомом фосфора, то это даёт ему возможность легко оторваться. Для этого нужно приложить совсем небольшую энергию, которая называется энергией активации примеси.

Этот тип полупроводника так же называют n-типом, так как основные заряды - электроны, заряжены отрицательно (от англ. negative).

Акцепторный полупроводник. Дырочная проводимость

Акцепторный полупроводник - это полупроводник, в который добавили акцепторную примесь. Акцептор, значит что-то принимает. В нашем случае акцептор принимает электроны из других связей. Рассмотрим в качестве примера атом Si, в который в качестве акцепторной примеси добавили атом B (бор).

Бор имеет 3 электрона на внешней оболочке, каждый из которых легко образуют валентную связь с атомами кремния. Однако остаётся одна незадействованная связь, вакантное место для электрона.

Акцепторная примесь в кристалле кремния.

Это вакантное место не несёт заряда, так как атом бора нейтрален. При температуре выше абсолютного нуля электрон из соседнего атома может переместиться в вакантное место, оставив после себя дырку. В эту дырку может переместиться другой электрон, оставив свою дырку, и так далее. Получается, что теперь носителем заряда (положительного) является дырка.

Электрон занял вакантное место, оставив после себя дырку, которую займёт другой электрон.

В итоге можно сказать, что акцепторный полупроводник - это полупроводник, в который ввели акцепторную примесь, вследствие чего в запрещённой зоне образовался новый, акцепторный уровень, на который легко переходят электроны, оставляя после себя дырки для последующих переходов.

Этот тип полупроводника так же называют p-типом, так как основные заряды - дырки заряжены положительно (от англ. positive).

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД (P-N ПЕРЕХОД)

Электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n−типа, а другая р−типа, называют электронно-дырочным переходом, или p-n переходом.

Вследствие того что концентрация электронов в n−области выше, чем в р−области, а концентрация дырок в р−области выше, чем в n−области, на границе этих областей существует градиент концентраций носителей, вызывающий диффузионный ток электронов из n−области в р−область (поток 1) и диффузионный ток дырок из р−области в n−область (поток 2). Кроме тока, обусловленного движением основных носителей заряда, через границу раздела полупроводников возможен ток неосновных носителей (электронов из р−области в n−область и дырок из n−области в р−область). Потоки неосновных носителей, обозначены соответственно 3 и 4. Вследствие существенного различия в концентрациях основных и неосновных носителей ток, обусловленный основными носителями заряда, будет преобладать над током неосновных носителей.

Из рисунка видно, что уход электронов из приконтактной n−области приводит к тому, что их концентрация (nn) здесь уменьшается и возникает не скомпенсированный положительный заряд ионов донорной примеси. Точно так же в р−области вследствие ухода дырок их концентрация (рр) в приконтактном слое снижается и здесь возникает не скомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Таким образом, на границе областей n− и р−типа образуются два слоя противоположных по знаку зарядов. Область образовавшихся пространственных зарядов представляет собой р−n переход. Его ширина обычно не превышает десятых долей микрометра.

Пространственные заряды в переходе образуют электрическое поле, направленное от положительно заряженных ионов доноров, к отрицательно, заряженным ионам акцепторов. Это поле является тормозящим для основных носителей заряда и ускоряющим для неосновных.

Наибольшая величина напряженности Е наблюдается в сечении х0, поскольку через это сечение проходят все силовые линии, начинающиеся на положительных зарядах, расположенных левее х0. По мере удаления от х0 влево количество не скомпенсированных положительных зарядов будет уменьшаться, следовательно, и напряженность поля будет уменьшаться. Аналогичная картина наблюдается и при удалении вправо от сечения х0. Если считать, что поле создается только зарядами доноров и акцепторов, то уменьшение напряженности происходит по линейному закону. Потенциальная диаграмма р−n перехода. За нулевой потенциал условно принят потенциал слоя х0. При перемещении от х0 к сечению хn потенциал повышается, а при перемещении от х0 к хр — снижается. За пределами перехода поле отсутствует. Перепад потенциала в переходе равен контактной разности потенциалов Uк. Этот перепад обычно называют потенциальным барьером, так как он препятствует перемещению основных носителей заряда.

p−n переход при наличии внешнего напряжения

Прямое внешнее напряжение

В этом случае источник включается так, что поле, создаваемое внешним напряжением в p−n переходе, направлено навстречу собственному полю р−n перехода. Такое включение называют прямым. Оно приводит к снижению высоты потенциального барьера. Основные носители заряда получают возможность приблизиться к контакту между областями. Поэтому ширина р−n перехода уменьшится. Часть основных носителей, имеющих наибольшие значения энергии, сможет преодолеть сравнительно узкий и невысокий потенциальный барьер и перейти через границу, разделяющую полупроводники n− и р−типа. Это приводит к нарушению равновесия между дрейфовым и диффузионным токами. Диффузионная составляющая тока становится больше дрейфовой, и результирующий прямой ток через переход оказывается отличным от нуля, прямой ток − IПР=IДИФ−IДР>0

По мере увеличения внешнего прямого напряжения прямой ток через переход может возрасти до весьма больших значений, так как он обусловлен главным образом движением основных носителей, концентрация которых в обеих областях велика.

Нетрудно заметить, что преодолевшие потенциальный барьер носители заряда попадают в область полупроводника, для которой они являются неосновными. Процесс введения носителей заряда через электронно-дырочный переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители заряда являются неосновными, называется инжекцией. Одновременно с инжекцией дырок в n−область происходит инжекция электронов в р−область.

Обратное внешнее напряжение

При этом электрическое поле, создаваемое источником, совпадает с полем р−n перехода. Потенциальный барьер между р− и n−о6ластями возрастает. Количестве основных носителей, способных преодолеть действие результирующего поля уменьшается. Соответственно уменьшается и ток диффузии основных носителей заряда. Под действием электрического поля, создаваемого внешним источником, основные носители будут оттягиваться от приконтактных слоев в глубь полупроводника. В результате ширина р−n перехода увеличивается.

Для неосновных носителей (дырок в n−области и электронов в р−области) потенциальный барьер в электронно-дырочном переход отсутствует и они будут втягиваться нолем в области р−n перехода. Это явление называется экстракцией.

При обратном включении преобладающую роль играет дрейфовый ток, который имеет небольшую величину, так как он создается движением не основных носителей. Этот ток получил название обратного тока − IОБР=IДР−IДИФ. Величина обратного тока практически не зависит от внешнего обратного напряжения.

Вольтамперная характеристика электронно-дырочного перехода (ВАХ)

Электронно-дырочный переход включённый в прямом направлении пропускает электрический ток, а в обратном − нет, т.е. работает как вентиль. Вентильные свойства p−n перехода отображаются его вольтамперной характеристикой.

При достижении обратным напряжением критического значения (UКР) обратный ток возрастает. Этот режим называется пробоем p−n перехода. Существует два вида пробоя: электрический и тепловой.

Электрический пробой (обратимый) не опасен для электронно-дырочного перехода, так как при отключении обратного напряжения вентильные свойства перехода полностью восстанавливаются. Он происходит в результате внутренней электростатической эмиссии и под действием ударной ионизации атомов полупроводника (лавинный пробой).

Сущность электростатической эмиссии заключается в том, что под действием сильного электрического поля электроны могут освободиться из ковалентных связей и получить энергию, достаточную для преодоления высокого потенциального барьера. Ударная ионизация возникает тогда, когда под действием обратного напряжения электроны проводимости приобретают энергию, достаточную для отрыва других электронов при столкновении с атомами. При этом происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда и ток увеличивается.

 Тепловой пробой (необратимый) происходит вследствие вырывания валентных электронов из связей в атомах при тепловых колебаниях кристаллической решетки. Тепловая генерация пар электрон−дырка приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда и к росту обратного тока. Увеличение тока, в свою очередь, приводит к дальнейшему повышению температуры. Процесс нарастает лавинообразно.

У большинства полупроводниковых приборов электрический и тепловой пробой наступают практически одновременно.