Свойства полупроводников

Свойства полупроводниковых материалов характеризуются сле­дующими показателями: собственная и примесная проводимости полупроводников, электропроводность полупроводников, оптичес­кие и фотооптические явления в полупроводниках, электронные процессы на поверхности полупроводников, контактные явления в полупроводниках.

Собственная и примесная проводимости полупроводников.Соб­ственная проводимость полупроводников может быть рассмотре­на на примере кремния, который является элементом IV группы Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева. Эти элементы образуют алмазоподобную модификацию гранецен-трированной кубической решетки, в которой каждый атом, распо­ложенный в узле кристаллической решетки, окружен четырьмя дру­гими атомами и связан с ними ковалентнои связью. Так как при ковалентнои связи каждый внешний электрон принадлежит одно­временно двум атомам, то внешние оболочки атомов содержат по восемь электронов. При этом все электроны внешних оболочек уча­ствуют в образовании ковалентных связей и свободные носители, создающие электропроводность, отсутствуют (рис. 4.2, а). Для того чтобы электрон превратился в свободный носитель заряда, необхо­димо сообщить ему дополнительную энергию, достаточную для разрыва ковалентнои связи. Такая энергия определяется шириной запретной зоны и называется энергией активации ∆W_a (рис. 4.3).

При разрыве ковалентнои связи освободившийся электрон под действием тепловой энергии хаотически движется по объему полу­проводника. На месте оторвавшегося электрона остается положи­тельно заряженная незаполненная связь с зарядом, который равен заряду электрона, называемая дыркой. На зонной диаграмме (рис. 4.3) электрону соответствует зона проводимости W_c, а дырке - не­занятое электроном состояние в валентной зоне W_v. При отсутствии внешнего электрического поля дырка, как и электрон, совершает хаотические движения. При этом сама дырка, в отличие от электрона, не перемещается по крис­таллу. Ее движение связано с тем, что за счет энергии тепловых ко­лебаний решетки электрон сосед­ней ковалентной связи может за­полнить свободную ковалентную связь в атоме с дыркой. В резуль­тате этого атом, у которого за­полняются все связи, становится нейтральным, а в атоме, потеряв­шем электрон, образуется дырка (рис. 4.2, б). Таким образом со­здается впечатление движения дырок.

При действии на полупровод­ник внешнего электрического поля электрон, обладая отрица­тельным зарядом, перемещается в направлении, противополож­ном направлению внешнего поля, достигая скорости v. Отношение средней скорости дрейфа электрона v к напряженности электрического поля Е называют под­вижностью электрона, м²/(В*с),

μ_n = υ/E (19)

Подвижность электронов д_я и дырок д в собственном полупро­воднике может быть различна, так как механизм перемещения в электрическом поле свободных электронов и электронов, которые перемещаются из ковалентных связей по незаполненным связям дырок, различен. Подвижность электронов, как правило, выше под­вижности дырок. Для кремния μ_n = 0,145 м²/(В*с), μ_p = 0,045 м²/(В-с).

Концентрация свободных электронов п в полупроводнике в от­личие от металлов значительно ниже концентрации атомов. Напри­мер, собственная концентрация носителей заряда в кремнии состав­ляет 3-Ю¹⁶ м ^-3 при концентрации атомов 5-10²⁸ м ^-3.

Процесс образования свободных отрицательно заряженных элек­тронов проводимости и положительно заряженных дырок прово­димости называют генерацией электронно-дырочных пар.

Одновременно с генерацией электронно-дырочных пар в полу­проводнике происходит и обратный процесс, когда электроны воз­вращаются из зоны проводимости в валентную зону с выделением энергии ΔW. Этот процесс называют рекомбинацией носителей за­рядов.

Проводимость полупроводника, которая возникает в результате разрыва собственных ковалентных связей, называется собственной.

Собственная электропроводность полупроводника у складыва­ется из электронной электропроводности у„ и дырочной электро­проводности у_р:

У =У_п⁺У_Р (20)

Примесная проводимость полупроводников обусловлена несовер­шенством кристаллической структуры полупроводника. Дефекты в кристаллической решетке вызывают образование дополнительных энергетических уровней внутри запретной зоны (рис. 4.4). Благодаря этому для перехода электрона с дополнительного уровня в зону про­водимости или из валентной зоны на дополнительный уровень требу­ется энергия, меньше ширины запретной зоны W. В случае перехода электрона с дополнительного энергетического уровня в зону прово­димости появляется дополнительный электрон проводимости. При переходе электрона с валентной зоны на дополнительный энергети­ческий уровень образуется дополнительная дырка проводимости.

Если в кристаллической решетке кремния находится атом примеси, который представляет собой элемент V группы Периодичес­кой системы химических элементов Д. И. Менделеева, например фос­фор (рис. 4.5), то четыре из пяти валентных электронов фосфора будут участвовать в формировании ковалентных связей с соседни­ми атомами основного элемента кремния. Пятый валентный элект­рон фосфора связан только со своим атомом, и прочность этой свя­зи много меньше прочности ковалентной связи. Для перехода это­го электрона на дополнительный энергетический уровень W_a (см. рис. 4.4) требуется энергия, много меньше энергии ширины запрет­ной зоны AW. Для валентного электрона в кремнии энергия иони­зации W_a = 0,044 эВ, AW- 1,12 эВ.

Оторвавшийся от атома фосфора пятый электрон превращается в электрон проводимости. На месте оторвавшегося электрона образу-­ ется дырка, которую не могут за­полнить электроны других атомов фосфора, так как концентрация его в кремнии очень мала и его атомы расположены далеко друг от дру­га. Следовательно, дырка остает­ся неподвижной, дырочная прово­димость в таком полупроводнике отсутствует и его проводимость носит электронный характер.

Полупроводники с преобладанием электронной электропровод­ности называют электронными или n-типа (п - nigative - отрица­тельный). Электроны в полупроводнике «-типа называют основны­ми носителями заряда, а дырки - неосновными носителями.

Дефекты, которые вызывают появление в полупроводнике до­полнительных свободных электронов, называют донорами, а элект­ропроводность, обусловленную донорной примесью, называют электронной. Энергетические уровни W_д при электронной прово­димости расположены вблизи зоны проводимости W_c (см. рис. 4.4).

Если в кристаллической решетке кремния находится атом примеси, который представляет собой элемент III группы таблицы Д. И. Мен­делеева, например бора, то все три валентных электрона бора уча­ствуют в образовании ковалентных связей с кремнием. А одна связь кремния остается незаполненной. Эту связь можно заполнить элект­роном соседнего атома кремния, образовав четвертую ковалентную связь с примесным атомом бора. Для этого электрон должен полу­чить энергию W_a, значительно меньшую, чем энергия запретной зоны ΔW(cu. рис. 4.4). Энергия ионизации для бора W_a = 0,046 эВ.

Приняв дополнительный электрон, атом бора ионизируется и ста­новится отрицательным ионом. При этом одна из четырех связей соседнего атома кремния остается незавершенной, т. е. образуется дырка. В результате тепловых колебаний решетки эта незавершен­ная связь может быть заполнена электроном соседнего атома, обра­зуя новую дырку. Таким образом в результате исчезновения одних дырок и образования новых происходит хаотичное движение дырок в пределах кристалла, которые являются носителями заряда. Поэто­му электропроводность полупроводника носит дырочный характер. Дефекты, которые вызывают появление в полупроводнике до­полнительных дырок проводимости, называют акцепторными, а электропроводность, обусловленную акцепторной примесью, - ды­рочной. Энергетические уровни акцепторных дефектов W_a, как пра­вило, находятся вблизи потолка валентной зоны W_v. Соответствен­но полупроводники с преобладанием дырочной электропроводно­сти называют дырочными или p-типа (р - positive - положительный). В полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а неосновными - электроны.

Введение примесей в полупроводник приводит к появлению при­месной электропроводности, возникающей в результате ионизации атомов примесей. В отличие от собственной примесная электропро­водность образуется благодаря наличию носителей заряда только одного знака (электронов в полупроводниках n-типа и дырок в по­лупроводниках р-типа).

Возможность управлять значением и типом электропроводнос­ти полупроводников в результате введения примесей лежит в осно­ве создания всех полупроводниковых приборов.

Процесс контролируемого введения в полупроводник необхо­димых примесей называют легированием.

Если примеси внедряются между узлами кристаллической решет­ки, то их называют примесями внедрения. При этом тип проводимо­сти определяется в основном относительными размерами атома.

В том случае, когда атом примеси замещает атом полупровод­ника и занимает его место в узле кристаллической решетки, то та­кие примеси называют примесями замещения.

Атомы многих примесей могут и замещать атомы полупровод­ника в узлах кристаллической решетки, и внедряться в междоузлие. Такие примеси называют амфотернылш. Они могут быть донорами и акцепторами.

Реальные полупроводниковые материалы содержат донорные и акцепторные примеси. Если концентрация донорных примесей N_a больше концентрации акцепторных примесей N_a, то концентрация свободных электронов будет больше концентрации дырок (п>р).

Электроны являются основными носителями, а дырки - неоснов­ными, и в полупроводнике преобладает электронная электропро­водность. Когда концентрация акцепторных примесей N_a больше концентрации донорных примесей N_д, то основными носителями заряда становятся дырки и в полупроводнике преобладает дыроч­ная электропроводность.

Примеси, которые не оказывают влияния на электропроводность полупроводников, называют нейтральными.

На свойства полупроводниковых материалов оказывают влия­ние также и другие дефекты кристаллической структуры: дислока­ции', вакансии" и др. Но управлять электропроводностью полупро­водников, используя эти дефекты, невозможно. Поэтому в произ­водстве стремятся получить полупроводниковые материалы с ми­нимально возможным содержанием дефектов кристаллической структуры, а затем производят легирование.

Электропроводность полупроводников. При отсутствии внешне­го электрического поля носители заряда в полупроводнике (элект­роны и дырки) совершают хаотичные движения в пределах крис­талла. В результате приложения внешнего поля электроны начина­ют двигаться в направлении, противоположном направлению поля, а дырки - в направлении поля.

В собственном полупроводнике носителями заряда являются свободные электроны и дырки, концентрации которых одинаковы. При наличии внешнего поля плотность электронной составляющей тока J, протекающего через собственный полупроводник, выража­ется уравнением

J_n = nev_n, (21),

где п - концентрация электронов зоны проводимости; е - заряд электрона; v_n -дрейфовая скорость электронов.

Аналогично дырочная составляющая плотности тока для соб­ственного полупроводника определяется выражением

J_p=pev_p, (22),

где р - концентрация дырок; е - заряд дырки; v_p - дрейфовая скорость дырок. Плотность тока через собственный полупроводник J равняется сумме электронной и дырочной составляющей плотности тока:

J = J_n +J_p = nev_n + pev_p . (23),

Удельная электрическая проводимость полупро-водника, обус­ловленная электронами, с учетом подвижности электронов μ_n

γ_n= ne μ_n (24),

где μ_n= v_n /E, м²/(В*с).

Удельная электри-ческая проводимость, обусловленная дырками,

γ_p= ne μ_p (25),

где μ_p= v_p /E, м²/(В*с).

Удельная электрич-еская проводимость собственного полупро­водника у_соб определяется суммой электронной γ_n и γ_p:

γ_соб = γ_n + γ_p = γ_n= ne μ_n + ne μ_p,

для полупроводника с собственной проводимостью п = р.

Удельная электрическая проводимость полупроводника n-типа определяется суммой примесной γ_пp и собственной γ_со6 удельной элек­трической проводимости:

γ_n = γ_np + γ_coб (27),

где γ_np = n_дeμ_n; n_д- концентрация свободных электронов, образовавшихся за счет ионизации донорной примеси, т. е. в результате перехода электронов с до­норных уровней в зону проводимости.

Таким образом,

γ_n = n_дeμ_n + ne μ_n + ne μ_p (28)

При комнатной температуре у германия и кремния собствен­ная удельная электрическая проводимость у_СОб значительно мень­ше примесной удельной электрической проводимости у_пр, так как донорная примесь полностью ионизована, а собственная электро­проводность проявляется слабо. При повышении температуры соб­ственная удельная электропроводность увеличивается и в опреде­ленный момент становится больше примесной. Например, для гер­мания с р = 0,1 Ом-м собственная электропроводность начинает преобладать над примесной при температуре 90°С, а для случая с р = 10~⁵ Ом*м- при 500°С.

Для полупроводника p-типа удельная электрическая проводи­мость

γ_p = γ_np + γ_coб (29)

где γ_np = р_aеμ_p ; р_a - концентрация дырок, образовавшихся за счет ионизации акцепторной примеси, т. е. в результате перехода электронов из валентной зоны на акцепторные уровни.

Удельная электрическая проводимость полупроводников оп­ределяется концентрацией сво­бодных носителей заряда и их подвижностью. Подвижность носителей заряда ц определяет­ся их эффективной массой, ско­ростью и частотой столкновений с узлами и дефектами кристалли­ческой решетки и в целом слабо зависит от температуры. Поэто­му на характер зависимости элек­тропроводности полупроводни­ков от температуры основное влияние оказывает концентрация носителей заряда.

При комнатной температуре концентрация примесных носителей заряда преобладает над соб­ственной. При дальнейшем повышении температуры происходит истощение примеси, т. е. все валентные электроны примеси перехо­дят в зону проводимости и рост проводимости прекращается (рис. 4.6, участок 2-3). Проводимость остается постоянной до тех пор, пока температура не повысится настолько, что тепловой энергии станет достаточно, чтобы собственные электроны могли перейти в зону проводимости W_c, преодолев запретную зону ΔW. Благодаря этому переходу концентрация носителей заряда начнет резко воз­растать за счет собственных электронов (участок 3-4). Концентра­ция собственных атомов полупроводника на несколько порядков больше концентрации атомов примесей, поэтому собственная про­водимость при этой температуре значительно больше примесной. Следовательно, собственная проводимость является определяющей. При высоких температурах полупроводники по проводимости приближаются к проводникам.

При большой концентрации примесей зона дополнительных энергетических уровней сливается с зоной проводимости. В этом случае уже при комнатной температуре все валентные электроны примеси находятся в зоне проводимости, являясь носителями заря­дов, и их концентрация не зависит от температуры. Такой полу­проводник называют вырожденным примесным полупроводником. В таком полупроводнике концентрация примесей не влияет на соб­ственную проводимость.

Повышение проводимости полупроводников с ростом температу­ры температу­ры свидетельствует о том, что полупроводники обладают отрицатель­ным температурным коэффициентом удельного электрического сопро­тивления КТр. Эту зависимость используют для создания полупровод­никовых первичных преобразователей температуры - термисторов.

Собственная электрическая проводимость кремния и германия проявляется при сравнительно низких температурах, поэтому тем­пературный диапазон большинства полупроводниковых приборов невелик (до 1ОО...15О°С).

Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках. При похождении света через полупроводник частицы света (фотоны*) частично отражаются, а частично поглощаются электронами и ато­мами кристаллической решетки. Степень поглощения электромаг­нитной энергии характеризуется коэффициентом поглощения ос. Зна­чение, обратное коэффициенту поглощения 1 /ос, равно толщине слоя полупроводника, при прохождении через который интенсивность света уменьшается в е раз (е = 2,72).

Поглотив фотон, электрон переходит на более высокий энерге­тический уровень. Для перехода в зону проводимости электрону не­обходимо поглотить фотон, энергия которого достаточна для пре­одоления запретной зоны AW. Энергия такого фотона

W = hv= hc/λ, (30),

где h - постоянная Планка, h = 4,14*10 ^-15эВс; с - скорость света, с= 3*10 ^-8 м/с; v - частота падающего света; λ - длина волны падающего света.

Например, кремний поглощает свет с длиной волны меньше λ = 1,1 мкм.

Максимальную длину волны, которую поглощает полупровод­ник, называют длинноволновой или красной границей. С учетом того, что ширина запретной зоны различных полупроводников находит­ся в интервале от 0,1 до 3 эВ, то пороговая длина поглощаемого света может находиться в различных частях спектра: инфракрас­ной, видимой, ультрафиолетовой.

Если электромагнитной энергии фотона достаточно для перехо­да электрона из валентной зоны в зону проводимости, то такой пе­реход называют прямым. Если поглощенной энергии фотона недо­статочно для перехода электрона в зону проводимости и требуе­мую дополнительную энергию он получает за счет тепловых коле­баний, то такой переход называют непрямым.

Поглощение света в полупроводнике приводит к появлению до­полнительных при данной температуре неравновесных носителей заряда, что повышает его электропроводность.

Проводимость, вызванную действием света, называют фотопро­водимостью.

При увеличении интенсивности облучения число свободных но­сителей заряда в полупроводнике возрастает. Одновременно увеличивается и интенсивность процесса рекомбинации. Возрастание процессов генерации и рекомбинации идет до тех пор, пока между ними не установится динамическое равновесие. Этот процесс назы­вают релаксацией* фотопроводимости. Время, необходимое для ре­комбинации появившихся при облучении неравновесных носите­лей заряда, для различных полупроводников составляет от наносе­кунд до нескольких часов. Время, за которое концентрация нерав­новесных носителей заряда уменьшается в е раз, называют эффек­тивным временем жизни неравновесных носителей заряда т. Если время жизни свободных электронов в полупроводнике равно х, то в единицу времени число электронов в зоне проводимости уменьша­ется на Δn/τ, где Δn = п -п_о - изменение концентрации неравновес­ных носителей.

Зависимость электропроводности полупроводниковых матери­алов от освещения используют для создания фоточувствительных приборов, которые работают в широком диапазоне длин волн (от длинных инфракрасных до коротких ультрафиолетовых).

Процесс воздействия света на полупроводник имеет обратимый характер. При обратном переходе электрона из верхнего состоя­ния в нижнее освободившаяся энергия также может быть выделена в виде кванта света. Такое свечение не является тепловым (равно­весным). Среди неравновесных излучений особое место занимает люминесценция.

Электронные процессы на поверхности полупроводников. Реаль­ная поверхность полупроводникового кристалла отличается не только от его модели, но и от объемной структуры реального кри­сталла. На реальной поверхности полупроводника присутствуют различные макро- и микроскопические дефекты. Их появление выз­вано следующими причинами:

появление на поверхности дефектов (дислокации, дефекты упа­ковки) в процессе выращивания полупроводникового кристалла и осаждения эпитаксиальных слоев;

нарушение поверхностного слоя в процессе механической обра­ботки (резка слитков на пластины, шлифовка, полировка пластин), в результате чего происходит нарушение периодичности поверхно­стных слоев;

поглощение поверхностью полупроводника (адсорбция) из ок­ружающей среды посторонних молекул, атомов, ионов. Это погло­щение может происходить под действием электрического поля (фи­зическая адсорбция) или в процессе химических реакций (хемосорбция);

наличие у реальных кристал­лов полупроводников конечных размеров, что приводит к обры­ву кристаллической решетки на поверхности. В результате у ато­мов, расположенных в поверхно­стном слое кристалла, не все ко-валентные связи завершены. По­этому на энергетической диаг­рамме поверхности полупровод­ника в отличие от его объема имеются дополнительные энерге­тические уровни, лежащие в зап­ретной зоне (рис. 4.7, а). Время перехода носителей заряда на по­верхностные уровни полупро­водника примерно 10~⁸с, поэто­му их называют быстрыми со­стояниями. Через быстрые состо­яния осуществляется поверхнос­тная рекомбинация; наличие окисных пленок на поверхности полупроводника также является причиной для образования дополнительных поверхностных уровней (рис. 4.7, 6). Время перехода свобод­ных носителей заряда на эти уровни составляет от 10~³с до нескольких суток. Длительность перехода на эти уровни связана с тем, что для прохождения элек­трона через окисную пленку не­обходимо значительное время. Такие уровни называют медлен­ными состояниями.

Наличие поверхностных дефектов приводит к тому, что свойства поверхности полупроводника могут значительно отличаться от его объемных свойств.

Поверхностные уровни могут захватывать электроны и дырки, которые локализуются на поверхности полупроводника. В резуль­тате электростатического взаимодействия локализованных на по­верхности электронов с носителями заряда в объеме полупровод­ника возникает пространственный заряд. Появление пространствен­ного заряда приводит к возникновению электрического поля в этом слое и соответственно к искривлению энергетических зон.

Толщина слоя пространственного заряда зависит от плотности поверхностных уровней и от концентрации свободных носителей за­ряда в полупроводнике. При плотности поверхностных уровней по­рядка 10¹⁵ м ^-2 и концентрации свободных носителей заряда 10²² м ^-3 область пространственного заряда в полупроводнике распространя­ется на глубину примерно 10 ^-6м.

Появление поверхностных зарядов ухудшает частотные свойства полупроводниковых материалов, поэтому для изготовления высо­кочастотных полупроводниковых приборов необходимо предъяв­лять жесткие требования к качеству поверхности используемых полупроводниковых материалов, ее чистоте и совершенству крис­таллической структуры.

Чтобы исключить адсорбцию посторонних элементов, исполь­зуют чистые технологические среды и материалы, соприкасающие­ся с поверхностью полупроводника в процессе производства при­боров и интегральных схем.

Контактные явления в полупроводниках возникают вокруг гра­ницы раздела контактного электрического поля. Воздействие его на поверхностные слои полупроводника аналогично воздействию некоторого внешнего электрического поля.

Если одна область полупроводника обладает электронной про­водимостью, а другая - дырочной, то границу между этими обла­стями называют электронно-дырочным переходом или р—п-перехо-дом. Получить р—п -переход при механическом соприкосновении полупроводников с различным типом проводимости невозмож­но. Для получения р—п -перехода одну часть полупроводника ле­гируют донорной, а другую - акцепторной примесью. В результа­те одна часть полупроводника обладает электронной электропро­водностью, а другая - дырочной. При соприкосновении электро­ны диффундируют в p-область, где велика концентрация дырок, и рекомбинируют с дырками. Аналогично дырки диффундируют в n-область, где велика концентрация электронов. В результате этого у границы раздела n-области остаются нескомпенсированные ионы донорной примеси, которые создают объемный положительный заряд. У границы раздела p-области нескомпенсированные ионы акцепторов создают объемный отрицательный заряд. Таким об­разом, в области раздела полупроводников n-типа и p-типа обра­зуется зона, содержащая свободные носители заряда. Эта область составляет толщину р—п -перехода. При этом образовавшийся по­ложительный объемный заряд нескомпенсированных ионов до­норной примеси препятствует дальнейшей диффузии дырок из р-области в n-область.

Отрицательный объемный заряд ионов акцепторной примеси препятствует диффузии электронов в p-область. Таким образом нескомпенсированные ионы примеси создают на границе раздела потенциальный барьер для основных носителей заряда. Для преодоления этого барьера основные носители должны обладать дос­таточной кинетической энергией. С помощью приложения внешне­го поля высоту потенциального барьера можно увеличивать или уменьшать, меняя полярность.