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.

1) 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 гранецентрированной кубической решетки, в которой каждый атом, распо­ложенный в узле кристаллической решетки, окружен четырьмя дру­гими атомами и связан с ними ковалентной связью. Так как при ковалентной связи каждый внешний электрон принадлежит одно­временно двум атомам, то внешние оболочки атомов содержит по восемь электронов. При этом все электроны внешних оболочек уча­ствуют в образовании ковалентных связей и свободные носители, создающие электропроводность, отсутствуют (рис. 21, а) Для того чтобы электрон превратился в свободный носитель заряда, необходимо сообщить ему дополнительную энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи. Такая энергия определяется шириной запретной зоны и называется энергией активации (рис. 21, в).

Рис. 21. Собственный полупроводник: а – модель кристаллической решетки кремния без воздействия на него электрического поля; б – модель кристаллической решетки кремния при помещении его в электрическое поле; в - зонная диаграмма активизированного полупроводника

При разрыве ковалентной 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. 21, в) 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 пополнить 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. 21, 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),

Подвижность электронов и дырок 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, выше подвижности дырок.

Концентрация свободных электронов n в полупроводнике в отличие от металлов значительно ниже концентрации атомов.

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 W. Этот процесс называют рекомбинацией носителей зарядом.

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

Собственная электропроводность полупроводника складыва­ется из электронной электропроводности и дырочной электро­проводности :

2) Примесная проводимость полупроводников обусловлена несовер­шенством кристаллической структуры полупроводника. Дефекты в кристаллической решетке вызывают образование дополнительных энергетических уровней внутри запретной зоны (рис. 21). 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. 22), 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_д (см. рис. 22) требуется энергия, много меньше энергии ширины запрет­ной зоны W. Оторвавшийся от атома фосфора пятый электрон превращается в электрон проводимости. На месте оторвавшегося электрона образуется 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.

Рис. 22. Модели кристаллической решетки донорного (а) и акцепторного (б) полупроводников; зонные диаграммы активизированных акцепторного (в) и донорного (г) полупроводников

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 (и - nigative - отрица­тельный). Электроны в полупроводнике n-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, начинают электронной. Энергетические уровни W_д при электронной прово­димости расположены вблизи зоны проводимости W_c (см. рис. 22).

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_а, значительно меньшую, чем энергия запретной зоны (см. рис. 22).

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_d как пра­вило, находятся вблизи потолка валентной зоны W_v. Соответствен­но полупроводники с преобладанием дырочной электропроводно­сти называют дырочными или р-типа (р - positive - положительный). В полупроводнике р-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 p-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 амфотерными. Они могут быть донорами и акцепторами.

Реальные полупроводниковые материалы содержат донорные и акцепторные примеси. Если концентрация донорных примесей N_д больше концентрации акцепторных примесей N_а, то концентрация свободных электронов будет больше концентрации дырок (n>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.

3) 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.

Удельная электрическая проводимость собственного полупро­водника определяется суммой электронной и дырочной :

для полупроводника с собственной проводимостью n = p,

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

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

При комнатной температуре у германия и кремния собствен­ная удельная электрическая проводимость значительно мень­ше примесной удельной электрической проводимости , 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 = 0,1 Ом×м собственная электропроводность начинает преобладать над примесной при температуре 90°С, а для случая с = 10^-5 Ом×м - при 500°С

Для полупроводника р-типа удельная электрическая проводимость

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

4) Температурная зависимость удельной проводимости

Удельная электрическая про­водимость полупроводников оп­ределяется концентрацией сво­бодных носителей заряда и их подвижностью. Подвижность носителей заряда определяет­ся их эффективной массой, ско­ростью и частотой столкновений с узлами и дефектами кристаллической решетки и в целом слабо зависит от температуры.

На характер зависимости электропроводимости от температуры основное влияние оказывает концентрация носителей заряда (рис. 23).

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. 23, 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, преодолев запретную зону. 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.

Рис. 23. Теоретическая зависимость проводимости полупроводников от температуры при различных концентрациях донорных примесей (N_д4>N_д3>N_д2>N_д1)

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 свидетельствует о том, что полупроводники обладают отрицательным температурным коэффициентом удельного электрического сопро­тивления ТКr. 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 100...150 °С).

5) Влияние деформации на электропроводность полупроводников

Электропроводность твердых кристаллических тел изменяется от деформации вследствие увеличения или уменьшения (растяжение, сжатие) междуатомных расстояний, приводящего к изменению концентрации и подвижности носителей. Концентрация носителей заряда может стать меньше или больше вследствие изменения ширины энергетических зон кристалла и смещения примесных уровней, что в свою очередь ведет к изменению энергии активации носителей и изменению их эффективных масс, входящих в выражения концентрации носителей заряда. Подвижность носителей заряда меняется из-за уменьшения (увеличения) амплитуды колебания атомов при их сближении (удалении). Для металлов основным является изменение концентрации носителей заряда, определяе­мое энергией активации. Ширина запрещенной зоны может как увеличиваться, так и уменьшаться при сближении атомов, и у раз­ных полупроводников одна и та же деформация может вызывать, как увеличение, так и уменьшение удельной проводимости.

Величиной, численно характеризующей изменение удельной проводимости (удельного сопротивления) полупроводников при определенном виде деформации, является тензочувствительность

,

которая представляет собой отношение относительного изменения удельного сопротивления полупроводника к относительной дефор­мации в данном направлении.

6) Воздействие света на электропроводность полупроводников

Световая энергия, поглощаемая полупроводником, вызывает по­явление в нем избыточного (по сравнению с равновесным при данной температуре) количества носителей зарядов, приводящего к воз­растанию электропроводности (рис. 24).

Рис. 24. Фотопроводимость германия в зависимо­сти от длины волны падающего излучения:I ˗ видимая область спектра; II ˗ красная; III ˗ инфракрасная; ДКФ ˗ длинноволновый край фотопро­водимости; ТХ ˗ «тепловой хвост» кривой

Фотопроводимостью называют увеличе­ние электрической проводимости веще­ства под действием электромагнитного излучения.

В фотопроводимости обнаруживается квантовая природа света. Энергия фотона затрачивается в собственном полупро­воднике на образование электронно-дырочных пар за счет переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому суще­ствует граничная длина волны, определяемая энергией кванта, до­статочной для перехода электрона с самого верхнего уровня валент­ной зоны на самый нижний уровень зоны проводимости, т. е. равная ширине запрещенной зоны полупроводника. Отсюда по длинно­волновому краю фотопроводимости (ДКФ) можно определить ширину запрещенной зоны полупроводника (рис. 24). Для этого, экстра­полировав круто падающий участок кривой до пересечения с осью абсцисс, находят граничную длину волны и энергию квантов, обусловливающую начало фотопроводимости. Так как запрещенная зона различных полупроводниковых веществ имеет ширину от деся­тых долей электрон-вольта до 3 эВ, то фотопроводимость может обнаруживаться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой части электромагнитного спектра. Из рис. 24 видно, что оптическая ширина запрещенной зоны германия 0,7 эВ, пороговая длина волны равна примерно 1,8 мкм, т. е. лежит в инфракрасной области спектра. Фотопроводимость при волнах короче 1,8 мкм определяется пере­ходом электронов с более низких уровней валентной зоны на более высокие уровни зоны проводимости.

На кривой рис.24 показан «тепловой хвост», тянущийся до 1,9 - 2 мкм. Наличие «теплового хвоста» (т. е. небольшой фотопроводимости), вызываемое квантами света с энергией, несколько меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника, можно объяснить двумя физическими явлениями:

1. Отдельные электроны могут оказаться под суммарным воздей­ствием энергии фотонов и энергии тепловых колебаний кристалли­ческой решетки. Тогда эти электроны перейдут в зону проводимости.

2. Ширина запрещенной зоны не является абсолютно постоянной

«Хвост» кривой на (рис. 24) имеет тепловую природу.

7) Частотная зависимость фотопроводимо­сти. Как видно из рис.24, в области малых длин волн (левее максимума кривой) наблюдается спад фотопроводимости. Это объяс­няется быстрым увеличением коэффициента поглощения с ростом частоты и уменьшением глубины проникновения падающей на тело электромагнитной энергии. Поглощение происходит в тонком по­верхностном слое, где и образуется основное количество носителей заряда. Появление большого числа избыточных носителей заряда только у поверхности слабо отражается на проводимости всего объема полупроводника.

При длинах волн, превышающих граничную (с учетом теплового «хвоста»), энергии квантов оказываются недостаточными для обра­зования электронно-дырочных пар, и простые полупроводники можно считать прозрачными в этих областях спектра (правее максимума кривой). Однако небольшое оптическое поглощение все же проис­ходит вследствие того, что в полупроводнике имеется некоторое число свободных электронов и дырок.

8) Влияние температуры на фотопроводи­мость. С понижением температуры уменьшается темновая про­водимость, служащая фоном, на котором появляется фотопроводи­мость, а поэтому роль последней возрастает. Кроме того, с пониже­нием температуры увеличивается и сама фотопроводимость, так как с уменьшением концентрации темновых носителей заряда снижается вероятность рекомбинации носителей. Температура влияет и на граничную длину волны (см. рис. 24), причем у одних полупровод­ников она смещается при понижении температуры вправо, а у дру­гих ˗ влево. Это объясняется тем, что с понижением температуры ширина запрещенной зоны у одних полупроводников уменьшается, а у других ˗ увеличивается.

9) влияние сильных электрических полей на электропроводимость полупроводников

Электропроводность полупроводников зависит от напряженности электрического поля. Как видно из рис. 25, при низких значениях напряженности поля (до некоторого критического значения Е_к) соблюдается закон Ома, и удельная проводимость не зависит от на­пряженности поля, а при более высоких напряженностях поля начинается интенсивный рост удельной проводимости по экспонен­циальному закону, приводящий к разрушению структуры полупро­водника. С ростом температуры кривая удельной проводимости перемещается вверх, а наклон возрастающей части становится меньше.

Рис. 25. Зависимость удельной проводимости полупроводника от напряженности электрического поля при различных температурах (Т₁>Т₂)

Для некоторых полупроводников зависимость удельной проводимости от напряженности поля описывается выражением

где – удельная проводимость полупроводника при Е < Е_к; - коэффициент, характеризующий полупроводник.

Возрастание проводимости обусловлено ростом числа носителей заряда, так как под влиянием поля они легче освобождаются тепло­вым возбуждением. При дальнейшем росте поля может появиться механизм ударной ионизации, иногда приводящий к разрушению структуры полупроводника.