Oslash; Теория полупроводников и переходов

В зависимости от удельной проводимости все вещества можно раз­делить на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Удель­ная проводимость – величина, обратная удельному сопротивлению:

. (1)

Для проводников удельная проводимость гораздо больше нуля, для диэлектриков – примерно равна нулю, полупроводники занимают промежу­точное положение. Электропроводность вещества зависит от его атомных свойств (см. рис. 1, где по оси W отложены возможные энергетиче­ские уровни электронов в атоме). У проводников электроны легко дости­гают высших энергетических уровней (зоны проводимости) и покидают атом. Именно наличие свободных электронов определяет электропровод­ность. У диэлектриков между зоной проводимости и нормальными энерге­тическими уровнями (валентная зона) электронов существует запретная зона, где наличие электронов в нормальном состоянии вещества невоз­можно. Это приводит к практическому отсутствию свободных электронов. У полупроводников также имеется запретная зона, но ширина ее го­раздо меньше, чем у диэлектриков, поэтому относительно большое (но го­раздо меньшее, чем у проводников) количество электронов обладает спо­собно­стью перейти на высшие энергетические уровни и далее покинуть атом. Не­обходимо отметить, что к полупроводникам относится большин­ство ве­ществ и спектр их свойств весьма широк.

В отличие от проводников у полупроводников существует два вида электропроводности – электроннаяи дырочная. Электронная, как и в проводниках, осуществляется свободными электронами. Носителем заряда при дырочной электропроводности является атом, потерявший электрон и вследствие этого приобретший положительный заряд. Но в отличие от элек­тронной электропроводности носители зарядов, жестко закрепленные в кристаллической решетке, не перемещаются. Положительно заряженный атом, именуемый дыркой, создает вокруг себя поле, которое облегчает для соседних атомов переход электронов на высшие энергетические уровни. Первоначальная дырка поглощает электрон, отданный соседним атомом, и нейтрализуется им. Далее процесс переноса заряда повторяется. Таким об­разом, дырочная электропроводность есть дрейф положительных заря­дов, но не их носителей.

а б в

Рис. 1. Схема энергетических уровней электронов: а – проводник; б – полупроводник; в – диэлектрик

В невозбужденном состоянии вещества, при тем­пературе абсолютного нуля, все электроны находятся на низших энергети­ческих уровнях, и полупроводник является диэлектриком – он не обладает электропроводностью. При повышении температуры, ионизирующем или световом облучении, воздействии электромагнитных полей, ак­тивность электронов повышается, и какое-то число их проходит запретную зону и покидает атом, создавая пару электрон–дырка. Число дырок равно числу свободных электронов, вместе они составляют пару зарядов. Этот процесс именуется генерацией пар зарядов. Одновременно с этим за счет хаотичного теплового движения происходят встречи электронов и дырок и их совместная нейтрализация. Этот процесс именуется рекомбинацией пар зарядов. Совместное действие генерации и рекомбинации создает опреде­ленную концентрацию пар зарядов, соответствующую уровню возбуждения вещества. Таким образом, электропроводность полупроводника зависит от его состояния. Полупроводник без примесей именуется собственным полупроводником или полупроводником i-типа (от лат. individe). Собственная электропроводность складывается у него из электропроводно­сти обоих типов, но электронная – преобладает за счет большей подвижности электронов. Необходимо отметить, что собственные полупроводники полу­чили в технике незначительное распространение. Го­раздо больше распро­странены примесные полупроводники. В их состав вхо­дят базовое вещество и небольшое количество примеси. В качестве ба­зового вещества чаще всего используются германий Ge и кремний Si. Веще­ство примеси по ва­лентности должно отличаться от базового. Так, при до­бавлении в четырех­валентный германий пятивалентных сурьмы Sb или мышьяка As, их атомы взаимодействуют с атомами германия только че­тырьмя своими электро­нами, а пятый электрон уходит в зону проводимо­сти. Таким образом, число свободных электронов превышает число дырок. Примеси, атомы которых отдают электроны, именуются донорами (дающими), а у полупроводников с такими примесями электронная элек­тропроводность превышает дыроч­ную. Такие полупроводники получили наименование электронных полупро­водников или полупроводников n-типа (от лат. negative отрица­тельный).

Если к германию Ge добавляются трехвалентные индий In или алюми­ний Al, то их атомы отнимают электроны от атомов германия, и в полупро­воднике образуется переизбыток дырок. Такие примеси именуются акцеп­торами (отбирающими). В таком случае дырочная электропроводность превышает электронную, и полупроводники получили наименование дыроч­ных полупроводников или полупроводников p–типа (от лат. positive положительный). Необходимо отметить, что количество примесей должно быть ничтожным. Так, при концентрации примеси 10^-4 % соответ­ствующая проводимость увеличивается в 1000 раз.

Рис. 2. n–p-переход при отсутствии внешнего напряжения

Наиболее интересной с позиции электроники является граница между полупроводниками с различной электропроводностью. Эта граница получила наименование переход. Физические процессы в переходе иллюст­рирует рис. 2. Известно явление, когда вещества, ионы, электроны, дырки и так далее перемеща­ются из зоны, где их концен­трация велика, в со­седнюю зону, где концентрация меньше. Это целенаправлен­ное перемеще­ние получило название диффузии. В зоне перехода электроны и дырки диф­фундируют в соседнюю зону, соответственно элек­троны из p-полу­про­вод­ника, где их избыток, в n-полупро­водник, где их недостаток, а дырки – на­оборот. На рис. 2 диффузное перемещение электронов и дырок показано основными стрелками. За счет диффузного перемещения носителей в гра­ничном слое создаются объ­емные заряды: отрицательный – в p-зоне и по­ложительный – в n-зоне. Раз­ница граничных зарядов представляет собой потенциальный барьер пе­ре­хода, который схематично представлен на гра­фике (рис. 2). Здесь d – толщина гра­ничного слоя (обычно 10^-4–10^-6 см); j – ось по­тенциалов, u_к – потенци­аль­ный барьер (обычно 0,3–0,7 В). Граничные за­ряды создают электриче­ское поле, вектор напряженности E_к которого на­правлен от n-зоны к p-зоне. Под воздействием этого поля возникают обрат­ные потоки (ток проводимо­сти) носителей заряда (на рисунке показаны пунктирными стрелками). При от­сутствии внешней разницы потенциалов диффузный ток и ток проводи­мо­сти находятся в состоянии динамического равновесия. Рассмотрим со­стоя­ние перехода при действии прямого и об­ратного напряжения.

Под прямым напряжением принимается такое подключение пере­хода к электрической цепи, при котором n-зона подключена к отрицатель­ному полюсу, а p-зона – к положительному (рис. 3,а). Прямое на­пряжение создает электрическое поле, вектор напряженности E_пр кото­рого направлен противоположно вектору E_к. Потенциальный барьер пони­жается до величины u_к – u_пр , при этом возрастает диффузный ток I_Д (носителям легче преодолеть пониженный барьер), а ток проводимости I_ПР практически не изменяется. Полный ток через переход

I_П = I_{Д –} I_ПР » êпри I_Д >> I_ПР ê» Iд. (2)

Введение носителей заряда в область, где они являются неоснов­ными, получило название инжекции носителей заряда (инжекция означает введение, впрыскивание). Зона, откуда инжектируются носители, именуется эмиттером, а куда инжектируются – базой. Для инжекции электронов эмиттером является n-зона, а базой – p-зона, для инжекции дырок – наобо­рот. Обычно концентрация носителей в переходе отличается на несколько порядков. Соответственно с этим различаются и инжекции носителей. На­именования эмиттер и база у полупроводникового прибора присваиваются по преобладающей инжекции.

а	б

Рис. 3. n–p-переход при наличии внешнего напряжения: а – прямого; б – обратного

В случае обратного напряжения (n-зона подключена к положитель­ному полюсу, а p-зона – к отрицательному) картина полностью противо­положна (рис. 3,б). Вектора напряженности Е_к и Е_обр совпадают, по­тенциальный барьер возрастает до величины u_к + u_обр. Диффузия носителей практически прекращается, I_Д = 0, через переход проходит только ток про­водимости – перенос неосновных носителей ускоряющим полем, вызванным внешним напряжением. Этот перенос именуется экстракцией носителей заряда (экстракция означает извлечение, выдергивание). Таким образом, обратный ток I_обр представляет собой ток проводимости, образованный экстракцией неосновных носителей. Так как неосновных носителей очень мало, обратный ток крайне незначителен. Таким образом, полупроводнико­вый прибор, содержащий один n–p-переход, обладает свойством вентиля – при прямом подключении он пропускает относительно большой (десятки и сотни миллиампер) ток при малом сопротивлении перехода, а при обратном – крайне незначительный ток.