Носители заряда в полупроводниках.

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Виды и структура полупроводников.

К полупроводникам относится большая группа веществ, но в производстве приборов используются лишь немногие, главным образом, германий Ge, кремний Si, арсенид галлия GaAs и некоторые другие.

Структура полупроводников.

Кристаллическая решетка.

Применяемые в электронике полупроводники имеют, как правило, монокристаллическую структуру, т.е. во всем объеме вещества атомы размещены в узлах строго определенной единой кристаллической решетки. Кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек той или иной формы и размера. В случае простейшей кубической решетки ребро элементарной ячейки – куба – является постоянной решетки.

В германии и кремнии атомы образуют кубическую решетку типа алмаза, где каждый атом связан с 4-мя ближайшими соседями ковалентной связью. Для наглядности эту решетку можно представить в виде плоской модели (рис.1.1а), где двойные черточки, связывающие атомы, отображают ковалентную химическую связь, образованную двумя электронами.

Дефекты решетки.

Структура кристалла никогда не бывает идеальной, всегда имеются дефекты решетки и дислокации (смещения плоскостей решетки).

Дефекты точечного типа могу иметь вид пустого узла (дефект по Шоттки), совокупности пустого узла и междуузельного атома (дефект по Френкелю) или чужеродного атома – примеси. Любой реальный кристалл содержит примеси – либо паразитные, от которых не удается избавиться при очистке, либо полезные, которые вводятся специально для получения нужных свойств кристалла. Примеси могут располагаться либо между узлами решетки (примесь внедрения), либо в самих узлах вместо основных атомов (примесь замещения).

Поверхность кристалла.

На поверхности кристалла часть ковалентных связей оказывается разорванной, что приводит к нарушению энергетического равновесия. Равновесие восстанавливается различными путями: может измениться расстояние между атомами в приповерхностном слое; может произойти захват – адсорбция – чужеродных атомов или молекул; может образоваться химическое соединение (например, окисел), не имеющее незаполненных связей на поверхности, и т. п. В любом случае структура тонкого приповерхностного слоя (толщиной несколько нанометров) отличается от структуры основного объема кристалла и этот слой следует рассматривать как особую область кристалла.

Носители заряда в полупроводниках.

В полупроводниках существуют два вида носителей заряда – электроны и дырки. В структуре на рис.1а нет свободных носителей заряда – все электроны связаны с атомами и не могут перемещаться по кристаллу, вещество не проводит электрический ток, т.е. является диэлектриком. Но такое положение существует только при абсолютном нуле температуры. С ростом температуры возрастает энергия колебательных движений атомов, и некоторая часть электронов приобретает энергию, достаточную для отрыва от атома. Оторвавшийся электрон может свободно перемещаться по кристаллической решетке. В том месте, откуда выбит электрон, образуется некомпенсированный положительный заряд, равный заряду электрона. Это и есть дырка. Она также может свободно перемещаться по кристаллу за счет перескока валентного электрона с соседних атомов, в результате дырка оказывается у соседнего атома и далее этот процесс повторяется. В результате образуется электронно-дырочная пара, как показано на рис.1б, где дырка обозначена мелким светлым кружком, электрон – темным. Этот процесс принято описывать как результат столкновения электрона с фононом. Фонон – квант энергии колебательных движений атомов кристаллической решетки. При столкновении фонон исчезает, его энергия передается электрону.

Собственные и примесные полупроводники.

Собственный полупроводник – беспримесный и бездефектный полупроводник с идеальной кристаллической решеткой. В собственном полупроводнике электроны и дырки всегда образуются парами и их концентрации и равны:

Примесные полупроводники содержат атомы посторонних элементов, встроенные в кристаллическую решетку. Примеси специально вводят в полупроводник для изменения его электрофизических свойств (этот процесс называется легированием). В примесных полупроводникахконцентрации электронов и дырок могут отличаться на много порядков.

Примеси бывают донорные, акцепторные и нейтральные.

Для четырех валентных элементарных полупроводников, таких как германий и кремний, донорными примесями являются атомы пятивалентных элементов, таких как фосфор P, мышьяк As, сурьма Sb, акцепторными – атомы трехвалентных элементов: бор B, индий In, галлий Ga, алюминий Al.

Нейтральные примеси не изменяют концентрацию носителей заряда.

Источник

1.5. Примесные полупроводники

В полупроводниках, состоящих из атомов одного химического элемента, примесями являются чужеродные атомы, которые замещают часть основных атомов полупроводника в узлах кристаллической решетки.

В полупроводниках, состоящих из атомов нескольких химических элементов, примесями могут быть как чужеродные атомы, так и избыточные по отношению к стехиометрическому составу атомы химических элементов, образующих сложный полупроводник.

Механизм примесной электропроводности зависит от типа используемой примеси.

Рассмотрим кристалл кремния, в котором часть основных атомов кристаллической решетки замещена примесными атомами фосфора. У атома фосфора пять валентных электронов, четыре из которых участвуют в образовании ковалентных связей с четырьмя соседними атомами кремния, а пятый электрон оказывается избыточным. Из-за большой диэлектрической проницаемости полупроводника кулоновское притяжение избыточного электрона ядром фосфора в значительной мере ослаблено, поэтому радиус орбитали избыточного электронаоказывается большим и может доходить до несколько межатомных расстояний (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Внедрение донорной примеси в кристалл кремния

Минимальная энергия, которую необходимо сообщить избыточному электрону донорной примеси, чтобы сделать его свободным, называется энергией ионизации донорной примеси. Энергию ионизации донорной примеси можно оценить на основе простой модели, подобной боровской модели водородоподобного атома. Согласно этой модели избыточный электрон примесного атома движется по круговой орбите в кулоновском поле сил положительного иона, ослабленном диэлектрическими свойствами кристалла полупроводника. Учитывая относительную диэлектрическую проницаемость ε полупроводника и используя в качестве массы электрона его эффективную массу в кристалле, получим выражение для энергии ионизации донорной примеси:

Энергии ионизации других донорных примесей в кремнии и германии являются величинами того же порядка, что и для фосфора (см. табл. 1.1).

Значение энергии ионизации пятивалентных примесей в германии и кремнии

Значения энергии ионизации трехвалентных примесей в германии и кремнии

Рис. 1.14. Внедрение акцепторной примеси в кристалл кремния

Минимальная энергия, необходимая атому-акцептору, чтобы захватить у соседнего атома кристаллической решетки электрон, недостающий для образования устойчивой электронной оболочки, называется энергией ионизации акцепторной примеси.

Численно величина энергии ионизации акцепторной примеси близка к энергии ионизации донорной примеси (см. табл. 1.2).

Полупроводник, у которого концентрации донорной и акцепторной примесей равны, называется скомпенсированным полупроводником. Скомпенсированный полупроводник имеет такую же удельную проводимость, как и собственный, но отличается от последнего рядом электрофизических параметров, поскольку наличие примесей вызывает искажения кристаллической решетки.

С точки зрения модели энергетических зон примеси или дефекты кристаллической решетки создают энергетические уровни, расположенные в запрещенной зоне, разделяющей валентную энергетическую зону и зону проводимости. Процентное содержание примесных атомов обычно очень мало, а расстояния между ними достаточно велики, следовательно, по отношению друг к другу их можно рассматривать как изолированные атомы, энергетические уровни которых не расщепляются и не образуют энергетических зон.

Донорная примесь образует локальный энергетический уровень (донорный уровень), расположенный в запрещенной энергетической зоне вблизи дна зоны проводимости, занятый в невозбужденном состоянии электроном. При возбуждении донорная примесь отдает электрон в зону проводимости. Расстояние между донорным уровнем и дном зоны проводимости равно энергии ионизации донорной примеси.

Акцепторная примесь образует локальный энергетический уровень (акцепторный уровень), расположенный в запрещенной энергетической зоне вблизи потолка валентной зоны, свободный от электрона в невозбужденном состоянии. При возбуждении акцепторная примесь захватывает электрон из валентной зоны. Расстояние между акцепторным уровнем и потолком валентной зоны равно энергии ионизации акцепторной примеси.

С увеличением концентрации примесей расстояния между примесными атомами уменьшаются и их энергетические уровни постепенно превращаются в примесные энергетические зоны. При достижении определнной концентрации примесей примесные энергетические зоны сливаются с ближайшими энергетическими зонами кристалла, в результате чего образуется зонная структура, близкая к зонной структуре металлов. Такой примесный полупроводник называют вырожденным полупроводником или полуметаллом.

Некоторые примеси обладают сравнительно высокой энергией ионизации и образуют энергетические уровни, расположенные вблизи середины запрещенной зоны (например, золото в кремнии). Введение таких примесей существенно облегчает как генерацию, так и рекомбинацию свободных электронов за счет двухступенчатых переходов из одной разрешенной зоны на примесный уровень и с примесного уровня в другую разрешенную зону. Энергетические уровни примесей с высокой энергией ионизации называют генерационно-рекомбинационными центрами.

Существуют примеси, создающие энергетические уровни (ловушки), расположенные вблизи середины верхней или нижней половин запрещенной зоны. Такие уровни в отличие от генерационно-рекомбинационных центров захватывают носители из ближайшей разрешенной энергетической зоны и через некоторое время отдают их в ту же зону, поскольку расстояние до другой разрешенной зоны значительно больше.

Следует отметить, что многие примеси создают в запрещенной зоне по 2-3 уровня.

Источник

Учебники

Журнал «Квант»

Общие

Т. Примесная проводимость

Примесная проводимость полупроводников

Примесной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная наличием примесей в полупроводнике.

Примесными центрами могут быть:

Изменяя концентрацию примесей, можно значительно увеличивать число носителей зарядов того или иного знака и создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.

Примеси можно разделить на донорные (отдающие) и акцепторные (принимающие).

Рассмотрим механизм электропроводности полупроводника с донорной пятивалентной примесью мышьяка As 5+ , которую вводят в кристалл, например, кремния. Пятивалентный атом мышьяка отдает четыре валентных электрона на образование ковалентных связей, а пятый электрон оказывается незанятым в этих связях (рис. 1).

В случае акцепторной примеси, например, трехвалентного индия In 3+ атом примеси может дать свои три электрона для осуществления ковалентной связи только с тремя соседними атомами кремния, а одного электрона «недостает» (рис. 2). Один из электронов соседних атомов кремния может заполнить эту связь, тогда атом In станет неподвижным отрицательным ионом, а на месте ушедшего от одного из атомов кремния электрона образуется дырка. Акцепторные примеси, захватывая электроны и создавая тем самым подвижные дырки, не увеличивают при этом числа электронов проводимости. Основные носители заряда в полупроводнике с акцепторной примесью — дырки, а неосновные — электроны.

Полупроводники, у которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называются полупроводниками р-типа.

Возможность управления удельным сопротивлением благодаря введению примесей используется в полупроводниковых приборах.

Дырочная проводимость не является исключительной особенностью полупроводников. У некоторых металлов и их сплавов существует смешанная электронно-дырочная проводимость за счет перемещений некоторой части неколлективированных валентных электронов. Например, в цинке, бериллии, кадмии, сплавах меди с оловом дырочная составляющая электрического тока преобладает над электронной.

Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные и акцепторные примеси, то характер проводимости (n- или p-тип) определяется примесью с более высокой концентрацией носителей тока — электронов или дырок.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 302-303.

Источник

Учебник. Электрический ток в полупроводниках

По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между хорошими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает (см. рис. 1.12.4). У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами (рис. 1.13.1).

Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T

Такой ход зависимости ρ (T) показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов. Рассмотрим качественно этот механизм на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен.

Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре слабо связанных электрона. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам (рис. 1.13.2). Валентные электроны в кристалле германия связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название дырок. Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместится на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

Если полупроводник поместить в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного I_n и дырочного I_p токов: I = I_n + I_p.

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: n_n = n_p. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

При наличии примесей электрическая проводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка в кристалл кремния примесей фосфора в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков. Такое сильное влияние примесей может быть объяснено на основе изложенных выше представлений о строении полупроводников.

Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.

Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную.

Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).

Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник n-типа

На рис. 1.13.3 показан пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорной примесью. В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.

В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле n_n >> n_p. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа.

Атом индия в решетке германия. Полупроводник p-типа

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In). На рис. 1.13.4 показан атом индия, который с помощью своих валентных электронов создал ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия. Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.

Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: n_p >> n_n. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью. Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа. Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.

Следует подчеркнуть, что дырочная проводимость в действительности обусловлена эстафетным перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь.

Для полупроводников n— и p-типов закон Ома выполняется в определенных интервалах сил тока и напряжений при условии постоянства концентраций свободных носителей.

Источник

Что является свободным носителем в полупроводнике с донорной примесью

§ 72. Собственная и примесная проводимости полупроводников

Собственная проводимость полупроводника увеличивается с повышением температуры. При неизменной температуре наступает динамическое равновесие между процессом образования дырок и рекомбинаций электронов и дырок. При таком условии количество электронов проводимости и дырок в единице объема сохраняется постоянным.

Рис. 102. Электронная и дырочная примеси

Атом мышьяка, находясь в узле кристаллической решетки германия, потеряв электрон, становится положительным ионом.

Он прочно связан с кристаллической решеткой германия, поэтому в образовании тока участия не принимает.

Энергия, необходимая для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости (см. рис. 96), называется энергией активизации. У примесных носителей тока она обычно во много раз меньше, чем у носителя тока основного полупроводника. Поэтому при незначительном нагревании, освещении освобождаются главным образом электроны атомов примеси. На месте ушедшего электрона в атоме донора образуется дырка. Однако перемещения электронов в дырки почти не наблюдается, т. е. дополнительная дырочная проводимость, создаваемая донором, очень мала. Это объясняется следующим. По причине небольшого количества атомов примеси ее электроны проводимости редко оказываются рядом с дыркой и не могут ее заполнить. А электроны атомов основного полупроводника хотя и находятся вблизи дырок, но не в состоянии их занять ввиду своего гораздо более низкого энергетического уровня.

Небольшое добавление донорной примеси делает число свободных электронов проводимости в тысячи раз больше, чем число свободных электронов проводимости в чистом полупроводнике при тех же условиях. В полупроводнике с донорной примесью основными носителями заряда являются электроны. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа.

Примеси, захватывающие электроны у основного полупроводника и, следовательно, увеличивающие в нем число дырок, называются акцепторными (принимающими) примесями. В качестве таких примесей используются элементы, атомы которых имеют меньшее количество валентных электронов, чем атомы основного полупроводника. Так, по отношению к германию акцепторными являются примеси индия, алюминия.

На месте ушедшего из атома германия электрона образуется дырка, которая является свободным носителем положительного заряда. Эта дырка может быть заполнена электроном А из соседнего атома германия и т. д. В полупроводнике с акцепторной примесью основными носителями заряда являются дырки. Такие полупроводники называются полупроводниками р-типа.

Источник