Основные сведения о полупроводниковых материалах

Если в качестве признака классификации материалов, используемых для изготовления элементов электронных устройств, взять их способность проводить электрический ток (электропроводность), то все эти материалы с учетом их удельного электрического сопротивления можно разделить на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.

К проводникам относят материалы, удельное электрическое сопротивление которых при комнатной температуре (Т = 300 К) не превышает 10^-4 Ом×см. Удельное электрическое сопротивление диэлектриков, как правило, более 10⁹ Ом×см.

Особый интерес представляют полупроводниковые материалы. Для разных полупроводниковых материалов их удельное электрическое сопротивление может находиться в диапазоне от 10^-4 до 10⁹ Ом×см. При этом, в отличие от проводников, проводимость полупроводников с ростом температуры увеличивается. Количество материалов со свойствами полупроводников превышает количество проводников и диэлектриков. На практике наиболее часто находят применение кремний, германий, арсенид галлия, селен, разные оксиды, сульфиды, нитриды и др.

В таблице 1.1 в качестве примера приведены значения удельных электрических сопротивлений представителей разных групп материалов при температуре Т = 300 К (t^о= +27^о С).

По способности проводить электрический ток и зависимости электропроводности от температуры полупроводники значительно ближе к диэлектрикам, чем к проводникам. Это связано, в первую очередь, с особенностью строения атомов полупроводниковых материалов.

Как известно, атом любого вещества состоит из положительно заряженного ядра и перемещающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Ядро, в свою очередь, состоит из электрически нейтральных частиц – нейтронов и положительно заряженных протонов (положительный заряд протону и отрицательный заряд электрону присвоены условно). Отрицательный заряд электрона (q_e » 1,6×10^-19 Кл) по величине равен положительному заряду протона, поэтому при нормальных условиях атом электрически нейтрален, так как число протонов в ядре равно числу электронов, образующих электронную оболочку атома.

Таблица 1.1

Электроны находятся в постоянном движении на некотором расстоянии от ядра в пределах слоев (оболочек), определяемых их энергией W. Чем дальше от ядра находится вращающийся электрон, тем выше его энергия (или, как говорят, энергетический уровень) (рисунок 1.1) и тем слабее его связь с атомом. А это значит, что при определенных условиях (повышение температуры, воздействие внешнего электрического поля, радиации и т. д.) такие электроны могут разрывать связь со своими атомами и становиться свободными.

Количество электронов в слоях строго определено: в ближайшем к ядру слое может находиться не более двух электронов, во втором слое – не более восьми электронов и т. д. Внешний слой в общем случае может быть незаполненным, поэтому он легко отдает «свои» и принимает «чужие» электроны. Электроны внешнего слоя определяют валентность элемента при химических реакциях. Такие электроны называются валентными, и они обеспечивают соединение атомов в молекулы или кристаллы. Это происходит за счет взаимодействия между соседними атомами, заключающегося в том, что на электроны одного атома воздействуют ядра соседних атомов. В результате такого взаимодействия разрешенные энергетические уровни электронов смещаются и расщепляются на несколько – по числу соседних атомов в кристаллической решетке.

Рисунок 1.1 – Упрощенная зонная структура твердого тела

Совокупность энергетических уровней, на каждом из которых могут находиться электроны, называют разрешенной зоной (рисунок 1.1). Разрешенная зонахарактеризуется тем, что все ее энергетические уровни при температуре 0 К заполнены электронами. Совокупность энергетических уровней, соответствующих внешнему слою электронов, образует валентную зону. Разрешенные уровни энергии, которые остаются незанятыми электронами (при температуре, отличной от 0 К), составляют зону проводимости. Промежуток между валентной зоной и зоной проводимости называется запрещенной зоной.

В проводниках(например, у металлов) валентная зона и зона проводимости взаимно перекрываются (рисунок 1.2, а), поэтому валентные электроны имеют возможность перемещаться с оболочки одного атома вещества на оболочку другого атома, совершая при отсутствии внешнего электрического поля хаотическое тепловое движение. В связи с этим даже при 0 К проводники обладают проводимостью. При наличии внешнего электрического поля движение электронов становится упорядоченным (направленным).

а б в

Рисунок 1.2 – Энергетические зоны проводника (а), диэлектрика (б)

и полупроводника (в)

Число свободных электронов в металлах достаточно велико и практически не зависит от температуры. Однако с повышением температуры увеличивается число столкновений электронов при их тепловом перемещении, в связи с чем электропроводность металлов понижается.

У диэлектриковширина запрещенной зоны 3 (рисунок 1.2, б) велика (DW > 6 эВ), электроны внешней оболочки достаточно жестко связаны с ядром и для перехода валентных электронов в зону проводимости нужно сообщить им значительную энергию. Так, например, при высокой напряженности внешнего электрического поля может произойти отрыв валентных электронов и их лавинное размножение, которое называется пробоем диэлектрика. В результате пробоя диэлектрик теряет свои свойства и становится проводником.

У полупроводников запрещенная зона (рисунок 1.2, в) относительно мала и ее ширина DW при температуре 300 К колеблется от 0,1 до 3,5 эВ. Химически чистые полупроводникипри температуре абсолютного нуля (Т = 0 К) ведут себя так же, как диэлектрики, и их электропроводность равна нулю, поскольку их зона проводимости при этих условиях пуста.

Чтобы обеспечить возможность перехода электронов полупроводника из валентной зоны в зону проводимости (то есть, сделать полупроводник электропроводным), необходимо каким-либо способом сообщить электронам дополнительную энергию, равную ширине запрещенной зоны DW. При температуре 300 К, в частности, у германия DW = 0,66 эВ, у кремния DW = 1,12 эВ, у арсенида галлия DW = 1,43 эВ, у карбида кремния DW = 2,4 … 3,4 эВ.

Ширина запрещенной зоны полупроводников изменяется с изменением температуры. Это происходит в результате:

- изменения амплитуды тепловых колебаний атомов кристаллической решетки;

- изменений межатомных расстояний (в результате изменения объема тела).

У большинства полупроводников ширина запрещенной зоны с повышением температуры уменьшается.

Если рассматривать структуру полупроводникового материала на уровне молекул, то можно отметить, что для полупроводников характерными являются ковалентные связи между отдельными атомами в молекуле. Они образуются за счет присоединения валентных электронов соседних атомов. Так, например, в кристаллической решетке четырехвалентного полупроводника (германия, кремния (рисунок 1.3)) каждый атом связан с четырьмя соседними атомами с помощью двух валентных электронов – по одному от каждого атома.

Рисунок 1.3 – Структура кристаллической решетки полупроводника

В абсолютно чистом полупроводнике при температуре, близкой к абсолютному нулю, и отсутствии внешнего электрического поля все валентные электроны участвуют в ковалентных связях. При этом переход любого электрона от одного атома к другому сопровождается встречным переходом электрона от другого атома. Свободные носители зарядов отсутствуют, поэтому электропроводность полупроводника при таких условиях равна нулю, его свойства близки к свойствам диэлектрика.

Под воздействием внешних факторов (например, при повышении температуры, при наличии внешнего электрического поля) тепловые колебания атомов в кристаллической решетке химически чистого полупроводника приводят к увеличению энергии валентных электронов, которые могут оторваться от «своих» атомов и начать свободное перемещение. Поэтому при нормальной комнатной температуре полупроводники, в отличие от диэлектриков, имеют некоторую электропроводность. С повышением температуры растет число оторвавшихся электронов, а, следовательно, увеличивается электропроводность полупроводника. Электропроводность полупроводника, обусловленная образованием носителей заряда под действием температуры, называется собственной электропроводностью.

При разрыве ковалентной связи в структуре молекулы образуется вакантное место – «дырка» у того атома, от которого «оторвался» электрон. На освободившееся вакантное место может перейти валентный электрон любого соседнего атома. В свою очередь, на место, освободившееся после ухода второго электрона, переходит электрон еще одного атома и т. д. Перемещение электронов в цепочке таких переходов происходит последовательно – каждый электрон переходит на место, освободившееся после его предшественника. В направлении, противоположном движению электронов, также последовательно перемещаются вакантные места – «дырки». Таким образом, в полупроводнике существует два типа носителей заряда – электроны и дырки. Дырке приписывается положительный заряд, численно равный заряду электрона.

Процесс образования пары «электрон – дырка»под влиянием температуры называетсятермогенерацией.

Электрон, покинувший атом при термогенерации и разрушивший ковалентную связь, может находиться в свободном состоянии очень незначительное время. При своем движении он, в конце концов, попадает в зону дырки и заполняет освободившуюся ковалентную связь в другом атоме. При этом ранее разорванная ковалентная связь восстанавливается, а электрон и дырка исчезают – электрон «захватывается» дыркой или дырка «занимается» электроном. Этот процесс называют рекомбинацией.При определенной температуре полупроводникового материала существует термодинамическое равновесие между генерацией и рекомбинацией, в результате чего в полупроводнике устанавливается определенная концентрация свободных носителей зарядов: электронов и дырок. Причем в чистом полупроводнике они всегда образуются и исчезают парами, т. е. количество электронов и дырок в нем всегда одинаково. Среднее время существования пары «электрон – дырка» называют временем жизни носителей заряда.

При отсутствии внешнего электрического поля электрон и дырка, появившиеся в результате термогенерации, совершают хаотические движения в объеме полупроводника, которые не приводят к смещению электронов в одном направлении, т. е. не способствуют появлению электрического тока в полупроводнике. Если полупроводник поместить в электрическое поле, то движения электронов и дырок приобретают направленный характер – происходит дрейф свободных носителей зарядов, что вызывает появление в полупроводнике электрического тока, который называют дрейфовым.При этом электропроводность полупроводника определяется двумя типами носителей зарядов: электронами и дырками.

Дрейфовый ток в полупроводнике зависит от концентрации носителей зарядов и их подвижности. В чистом полупроводнике при повышении температуры происходит увеличение концентрации подвижных носителей, а, следовательно, и увеличение проводимости.

Кроме дрейфового тока в полупроводниках существует так называемый диффузионный ток, который возникает в результате неравномерной концентрации носителей зарядов в кристалле полупроводника.

Несмотря на наличие в полупроводниках двух видов токов – дрейфового и диффузионного, их собственная электропроводность даже при повышенных температурах остается незначительной. Поэтому в чистом виде полупроводниковый материал для изготовления компонентов электронной техники не используется.

Для создания полупроводниковых приборов применяют примесные полупроводники. С этой целью в полупроводниковый материал добавляют примесь(примерно один атом примеси на 10⁶ ... 10⁸ атомов основного вещества). Различают два вида примесей: акцепторную и донорную. Если в полупроводниковый материал четвертой группы периодической таблицы Менделеева (например, кремний Si) добавить в виде примеси материал из пятой группы (например, фосфор Р, мышьяк As, сурьму Sb), то четыре валентных электрона примеси образуют ковалентные связи с четырьмя валентными электронами полупроводника (по одному из каждого с четырех атомов основного материала), а пятый валентный электрон примеси такой связи не образует, т. е. появляются носители электрического заряда – свободные электроны, которые могут свободно перемещаться по объему полупроводника (рисунок 1.4, а).

Рисунок 1.4 – Структура кристалла полупроводника, обогащенного

донорной (а) и акцепторной (б) примесью

Электропроводность полупроводника, обусловленная наличием свободных электронов, носит название электропроводности n-типа, а полупроводник, реализующий электропроводность n-типа, называется полупроводником n-типа. Примесь, которая обусловливает электропроводность n-типа, называется донорной (отдающей). При образовании свободного электрона атом примеси приобретает положительный заряд и становится неподвижным ионом.

Если в полупроводниковый материал четвертой группы периодической таблицы Менделеева добавить в виде примеси материал из третьей группы (например, индий In, бор В, алюминий Al), то три валентных электрона примеси образуют ковалентные связи с тремя валентными электронами полупроводника. Недостающий валентный электрон для образования ковалентной связи легко притягивается атомом примеси от одного из соседних атомов полупроводника. На месте разорванной ковалентной связи образуется носитель электрического заряда положительного знака (дырка), а атом примеси при этом приобретает отрицательный заряд и становится неподвижным ионом (рисунок 1.4, б).

Электропроводность полупроводника, обусловленная свободными дырками, носит название электропроводности р-типа, а полупроводник, реализующий электропроводность р-типа, называется полупроводником р-типа. Примесь, которая обусловливает электропроводность р-типа, называется акцепторной (принимающей).

Носители зарядов, образующиеся в результате добавления примеси в полупроводник, количественно преобладают над носителями зарядов, возникающими в результате процесса термогенерации, поэтому электроны в полупроводнике п-типа и дырки в полупроводнике р-типа носят название основных носителей зарядов (будем обозначать п_п и р_р соответственно). В свою очередь, электроны в полупроводнике р-типа и дырки в полупроводнике п-типа являются неосновными носителями зарядов (п_р и р_п соответственно).