Домішкові напівпровідники

Однак, навіть мізерні домішки сторонніх речовин спроможні істотно змінити властивості напівпровідника. Розглянемо, наприклад, що станеться, якщо в кристалічну гратку германію упровадити атом сусіднього з ним у таблиці Менделеєва п’ятивалентного миш’яку. Щоб зручно “прилаштуватися” в кристалічній гратці германію атом миш’яку відпускає “на волю” зайвий електрон. Енергія активації яка потрібна для такого вивільнення електрону складає лише 0,013 еВ, отже навіть при кімнатній температурі атоми миш’яку втрачають п’яті валентні електрони, і концентрація створених таким шляхом вільних електронів буде дорівнювати концентрації атомів домішки. Неважко підрахувати, що при кімнатній температурі обумовлена цими домішковими електронами провідність зрівняється з власною провідністю германію вже при концентрації миш’яку порядку 10^-7 %. При більшій кількості домішку починає переважати домішкова провідність. Домішки, які подібно до миш’яку, віддають свої електрони, називають електронними або донорними домішками, і всі величини, що до них відносяться, позначають індексом “n” (від слова negative, негативний, тобто від’ємний, оскільки створені донорною домішкою вільні заряди - електрони - мають від’ємний знак).

Інший сусід германію - трьохвалентний галій - при введенні в кристалічну гратку намагаєтья, навпаки, відібрати у сусідніх атомів германію один валентний електрон, внаслідок чого утворюється дірка. Такий домішок називають дірковими або акцепторним(від англійського слова“accept” - сприймати). Всі величини, що стосуються до акцепторних домішок, позначають індексом ”р” (від слова “positive”), оскільки вони утворюють тільки позитивні носії заряду - дірки.

Акцепторами для германію і кремнію, окрім галію, можуть бути бор, алюміній, індій, а донорами - фосфор або стібій. Енергія активації цих домішок також становить соті частки еВ, так що створені ними концентрації носіїв - електронів чи дірок - практично рівні концентрації домішкових атомів. Таким чином, відповідним підбором виду і концентрації домішок можна в широких межах змінювати характер і величину провідності основного напівпровідника. Таку операцію називають легуванням напівпровідника.

Неосновні носії

Не слід, однак, вважати, що єдиним видом носіїв заряду в донорному напівпровіднику є електрони, а в акцепторному - дірки. Окрім цих основнихносіїв, у напівпровіднику можуть існувати і протилежні за знакомнеосновніносії : дірки в донорному напівпровіднику, або електрони в акцепторному. Їх виникнення можливе за рахунок теплових рухів атомів подібно до того, як це має місце у власних напівпровідниках) або ж внаслідок наявності неконтрольованих випадкових домішок. Концентрація неосновних носіїв мала, оскільки вони швидко рекомбінують з основними.

В умовах термодинамічної рівноваги концентрація дірок в електронному напівпровіднику дорівнює

де - концентрація зарядів при тій же температурі у власному напівпровіднику,

- концентрація основних носіїв в даному донорному напівпровіднику,

- концентрація донорних атомів.

Аналогічно для акцепторного напівпровідника

1.4 Електронно-дірковий перехід (p-n перехід)

Робота переважної кількості напівпровідникових приладів грунтується на явищах, які виникають при контакті двох монокристалічних напівпровідників з різними типами провідності. Такий контакт p- і n- напівпровідників називають p-n переходом.Він має ряд цінних властивостей, використання яких і обумовлює широчезний спектр можливостей напівпровідникових приладів.

При контакті напівпровідників p- і n- типів починається дифузійний рух носіїв в області з протилежним знаком провідності, де концентрація зарядів даного знаку мала: електронів в дірковий напівпровідник, а дірок у електронний. Однак, ця дифузія невдовзі припиняється оскільки напівпровідник n-типу, втративши частину своїх електронів (і набувши деяку кількість дірок) заряджається позитивно, а дірковий напівпровідник, втративши частину дірок і набувши електрони, заряджається негативно. В результаті між p- і n- напівпровідниками в області переходу виникає потенціальний бар’єр порядку вольта. Ця різниця потенціалів локалізована у контактному шарі товщиною близько 1 мкм і створює в ньому електричне поле порядку 10⁵ В/см і більше (рис.1.2). Це поле видаляє носії зарядів з перехідного шару: електрони в n-область, а дірки в p-область. Внаслідок цього перехідний шар збіднюється носіями і набуває властивостей діелектрика. Глибина проникнення поля у напівпровідник залежить від його провідності: чим вона менша, тим більшою буде глибина. Тому, коли ступінь легування p- і n- областей неоднакова, збіднений носіями заряду шар утворюється переважно в напівпровіднику, котрий зазнав слабшого легування.

При намаганні носіїв проникнути в “чужу” область їм доводиться долати потенціальний бар’єр досить значної висоти. Тому, хоч деякий обмін зарядами між p- і n- областями і існує, він дуже незначний

Справа змінюється, якщо до переходу прикладена зовнішня ЕРС, за напрямком протилежна контактній різниці потенціалів (рис.1.3). Висота потенціального бар’єру при цьому знижується і тепер вже досить великий потік дірок прямує в n-область, а електронів у p-область, створюючи струм через перехід. Внесок в цей струм носіїв різного типу обумовлений насамперед їх концентрацією. Якщо p-область легована значно сильніше, ніж n-область, то струм І створюється переважно дірками. І навпаки, якщо сильніше легована n-область, основний внесок в струм дадуть електрони.

Таким чином, основний потік зарядів через перехід визначається сильніше легованою областю; її називають емітером. Слабше леговану область називають базою. Процес введення сторонніх носіїв (наприклад, дірок у n- область) називають інжекцією. Інжектовані заряди існуватимуть у області інжекції як неосновні носії, поки вони не прорекомбінують там з основним носіями.

При протилежній полярності зовнішньої ЕРС висота потенціального бар’єру зростає, а товщина його збільшується (рис.1.4), в результаті чого рух основних носіїв через перехід практично припиняється. Електричний струм, що існує при такій зворотній полярності обумовлюється лише неосновними носіями, які завжди у невеликій кількості присутні у напівпровіднику. Для них поле у переході є прискорюючим і тому будь-який неосновний носій, який при своєму тепловому русі потрапить на межу збідненого шару буде обов’язково втягнутим у цей шар і перетне межу p- і n- переходу. Таке усмоктування неосновних носіїв в збіднений шар називають екстракцією.

Залежність струму через p- і n- перехід від прикладеної до нього напруги дається виразом

(1.2)

де - струм насичення, обумовлений неосновними носіями, - абсолютна температура, - заряд електрона.

Графік вольамперної характеристики p-n переходу зображений на рис.1.5. При досить великій позитивній напрузі одиницею у виразі (1.2) можна нехтувати і вважати, що струм експоненціально залежить від прикладеної напруги.

(1.3)

Таким чином, p-n перехід являє собою нелінійний опір, струм якого не пропорційний до прикладеної напруги. Перехід може бути охарактеризований омічним (статичним) опором

або диференційним (динамічним) опором

(1.4)

Для відкритого переходу звичайно .

Інжектовані у “чужу” область неосновні носії досить швидко рекомбінують з основними носіями. Однак, маючи скінчений час життя t, вони утворюють там деякий об’ємний заряд t. При стрибкоподібгій зміні полярності (рис.1.6) та переході від відкритого стану до закритого через p-n перехід протягом деякого часу протікає зворотний струм, значно вищий за струм насичення та обумовлений тими неосновними носіями, котрі раніш були інжектовані в “чужі” області, а тепер рухаються у зворотному напрямі за рахунок дифузії. Тривалість цього процесу порядку середнього часу рекомбінації.