ПРИМЕСНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ

Если в полупроводнике имеются примеси других веществ, то дополнительно к собственной электропроводности появляется еще примесная электропроводность, которая в зависимости от рода примеси может быть электронной или дырочной. Например, германий, будучи четырехвалентным, обладает примесной электронной электропроводностью, если к нему добавлены пятивалентные сурьма (Sb), или мышьяк (Аs), или фосфор (Р). Их атомы взаимодействуют с атомами германия только четырьмя своими элекронами, а пятый электрон они отдают в зону проводимости. В результате добавляется некоторое число электронов проводимости. Примеси, атомы которых отдают электроны, называют донорами («донор» означает «дающий, жертвующий»). Атомы доноров, теряя электроны, сами заряжаются положительно.

Рис 1.6 Возникновение примесной электронной проводимости

Рис 1.7 Зонная диаграмма полупроводника n- типа

На рис. 1.6 показано с помощью плоскостной схемы строения полупроводника, как атом донорной примеси (пятивалентной сурьмы), находящийся в окружении атомов германия, отдает один электрон в зону проводимости.

Полупроводники с преобладанием электронной электропроводности называют электронными полупроводниками или полупроводниками п-типа. Зонная диаграмма такого полупроводника показана на рис. 1.7. Энергетические уровни атомов донора расположены лишь немного ниже зоны проводимости основного полупроводника. Поэтому из каждого атома донора один электрон легко переходит в зону проводимости, и таким образом в этой зоне появляется дополнительное число электронов, равное числу атомов донора. В самих атомах донора при этом дырки не образуются.

Если же четырехвалентный германий содержит примеси трехвалентных бора (В), или индия (In), или алюминия (Al), то их атомы отнимают электроны от атомов германия и в последних образуются дырки. Вещества, отбирающие электроны и создающие примесную дырочную электропроводность, называют акцепторами («акцептор» означает «принимающий»). Атомы акцептора, захватывая электроны, сами заряжаются отрицательно. Рис. 1.8 показывает схематически, как атом акцепторной примеси, расположенный среди атомов германия, захватывает электрон от соседнего атома германия, в котором при этом создается дырка.

Рис 1.8 Возникновение примесной дырочной проводимости

Рис 1.9 Зонная диаграмма полупроводника p- типа

Полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа (рис. 1.9). Энергетические уровни акцепторных атомов располагаются лишь немного выше валентной зоны. На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, в которой при этом возникают дырки.

В полупроводниковых приборах используются главным образом полупроводники, содержащие донорные или акцепторные примеси и называемые примесными. При обычных рабочих температурах в таких полупроводниках все атомы примеси участвуют в создании примесной электропроводности, т. е. каждый атом примеси либо отдает, либо захватывает один электрон.

Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов донорнои примеси N_д или акцепторной примеси N_а должна превышать концентрацию собственных носителей заряда. Практически при изготовлении примесных полупроводников значения N_д или N_a, всегда во много раз больше, чем n_iили р_i. Например, для германия, у которого при комнатной температуре n_i = р_i = 10¹³ см^-3, концентрации N_д и N_a могут быть равными 10¹⁵ —10^{18 см-3} каждая, т. е. в 10²—10⁵ раз больше, чем концентрации собственных носителей.

Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными. Ими являются электроны в полупроводнике n- типа и дырки в полупроводнике р- типа. Неосновными называются носители заряда, концентрация которых меньше, чем концентрация основных носителей. Если N_д » n_i, то можно пренебречь концентрацией собственных носителей, т. е. электронов, и тогда n_д ~ N_д.Например, для германия n-типа может быть n_i ~ 10¹⁶ см-³. Ясно, что по сравнению с этим значением концентрацию собственных носителей n_i = 10¹³ см-³ учитывать не нужно, так как она в 1000 раз меньше.

Концентрация неосновных носителей в примесном полупроводнике уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается концентрация основных носителей.

Рассмотрим прохождение тока через полупроводники с разным типом электропроводности, причем для упрощения будем пренебрегать током неосновных носителей. На рис. 1.10, как и ранее, дырки изображены светлыми, а электроны — темными кружками. Знаки «плюс» или «минус» обозначают соответственно заряженные атомы кристаллической решетки. Под действием ЭДС источника в проводах, соединяющих полупроводник n-типа с источником, и в самом полупроводнике движутся электроны проводимости. В соединительных проводах полупроводника р-типа по-прежнему движутся электроны, а в самом полупроводнике ток следует рассматривать как перемещение дырок. Электроны с отрицательного полюса поступают в полупроводник и заполняют пришедшие сюда дарки. К положительному полюсу приходят электроны из соседних частей полупроводника, и в этих частях образуются дырки, которые перемещаются от правого края к левому.

Рис 1.10 Ток в полупроводниках с электронной (а) и дырочной (б) проводимостью

В электротехнике принято условное направление тока от плюса к минусу. При изучении электронных приборов обычно удобнее рассматривать истинное направление движения электронов - от минуса к плюсу. Мы будем показывать, как и выше, это направление стрелкой с жирной точкой в начале, а условное направление тока — стрелкой без точки.

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЕ И МЕТАЛЛОПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ

2.1. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или п - р- переходом. Электронно-дырочный переход обладает несимметричной проводимостью, т. е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов (диоды, транзисторы и др.) основана на использовании свойств одного или нескольких n - p - переходов. Рассмотрим более подробно физические процессы в таком переходе.

Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует (рис. 2.1). Так как носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, т. е. имеют собственные скорости, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Как и при любой другой диффузии, например в газах и жидкостях, носители перемещаются оттуда, где их концентрация больше, туда, где их концентрация меньше. Таким образом, из полупроводника
n-типа в полупроводник р-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника р-типа в полупроводник n-типа диффундируют дырки. Это диффузионное перемещение электронов и дырок показано на рис. 2.1, а стрелками. Кружки с плюсом и минусом изображают атомы донорной и акцепторной примеси, заряженные соответственно положительно и отрицательно.

Рис. 2.1 Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения

В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области п возникает положительный объемный заряд. Он образован главным образом положительно заряженными атомами донорной примеси и в небольшой степени — пришедшими в эту область дырками. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и, отчасти, пришедшими сюда электронами. На рис. 2.1, а для упрощения носители и атомы примесей показаны только в области перехода.

Между образовавшимися объемными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов U_к = j_n — j_p и электрическое поле (вектор напряженности Е_к). На
рис. 2.1,6 изображена потенциальная диаграмма n - р - перехода для рассматриваемого случая, когда внешнее напряжение к переходу не приложено. На этой диаграмме, показывающей распределение потенциала вдоль оси х, перпендикулярной плоскости раздела двух полупроводников, за нулевой потенциал принят потенциал граничного слоя. Конечно, можно было бы за нулевой принять потенциал области n или р. На рис. 2.1 и последующих рисунках для наглядности искажен масштаб. На самом деле толщина n - р-перехода очень мала по сравнению с размерами областей n и р.

Следует отметить, что объемные заряды разных знаков возникают вблизи границы n - и р -областей, а положительный потенциал фn или отрицательный потенциал фp создается одинаковым по всей области n или р. Если бы в различных частях области n или р потенциал был различным, т. е. была бы разность потенциалов, то возник бы ток, в результате которого все равно произошло бы выравнивание потенциала в данной области. Нужно помнить, что заряд и потенциал имеют разный физический смысл. Там, где есть электрический потенциал, не обязательно должен быть заряд.

Как видно, в n - р - переходе возникнет потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей. На рис. 2.1,6 изображен барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться слева направо (из области n в область р). Если бы мы отложили вверх положительный потенциал, то получили бы изображение такого же потенциального барьера для дырок, которые стремятся диффундировать справа налево (из области р в область n).

Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Чем больше концентрация примесей, тем выше концентрация основных носителей и тем большее число их диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает, и увеличивается контактная разность потенциалов Uк т. е. высота потенциального барьера. При этом толщина n - р - перехода dуменьшается, так как соответствующие объемные заряды образуются в приграничных слоях меньшей толщины.

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Это поле перемещает дырки из n- области обратно в р- область и электроны из р- области обратно в n- область. На рис. 2.1, а такое перемещение неосновных носителей (дрейф) показано также стрелками. При постоянной температуре n-р- переход находится в состоянии динамического равновесия. Каждую секунду через границу в противоположных направлениях диффундирует определенное число электронов и дырок, а под действием поля столько же их дрейфует в обратном направлении.

Нетрудно представить себе механическую аналогию этого процесса, если считать, что диаграмма на рис. 2.1,6 изображает горку, на которую вкатываются шарики (электроны) с различной начальной скоростью. За счет начальных скоростей шарики будут подниматься на ту или иную высоту, останавливаться и скатываться обратно под действием поля тяготения. Эта аналогия пригодна также и для дырок.

Как мы знаем, перемещение носителей за счет диффузии — это диффузионный ток (I_диф), а движение носителей под действием поля — ток дрейфа (I_др). В установившемся режиме, т. е. при динамическом равновесии перехода, эти токи равны и противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствии внешнего напряжения. Каждый из токов I_диф и I_др имеет электронную и дырочную составляющие. Значения этих составляющих различны, так как зависят от концентрации и подвижности носителей. Высота потенциального барьера всегда устанавливается именно такой, чтобы наступило равновесие, т. е. диффузионный ток и ток дрейфа компенсируют друг друга. Действительно, пусть по какой-то причине например от повышения температуры, диффузия усилилась. Ток диффузии возрастает, через переход будет диффундировать больше носителей. Это вызовет увеличение объемных зарядов и потенциала по обе стороны границы. Значение U_к возрастет, т. е. усилится электрическое поле в переходе и повысится потенциальный барьер. Но усиление поля вызовет соответствующее увеличение тока дрейфа, т. е. обратного перемещения носителей. Пока
I_диф > I_др, высота барьера растет, но в конце концов за счет увеличения I_др наступит равенство
I_диф = I_др и дальнейшее повышение U_к прекратится.

Удельная электрическая проводимость n-р- перехода будет во много раз меньше, чем в остальных частях областей n и р. Можно также рассматривать слой, обедненный подвижными носителями, как результат действия электрического поля контактной разности потенциалов. Это поле «выталкивает» из пограничных слоев подвижные носители: электроны перемещаются в область n , а дырки в область р.

Таким образом в n - р - переходе возникает слой, называемый запирающим и обладающий большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных объемов n - и р -полупроводников.