Раздел 6. Физические основы полупроводниковой электроники
6.1.Полупроводники
Полупроводниками называют вещества, которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между металлом и диэлектриками. Для изготовления полупроводниковых приборов используют вещества с кристаллической структурой. Исходным материалом наиболее часто служит германий Geи кремнийSi, а также арсенид галлияGaAsАтомы в кристаллической решетке связаны за счет обменных сил, возникающих при попарном объединении валентных электронов соседних атомов, при этом каждый из атомов остается электрически нейтральным. Такая связь называетсяковалентной.
При повышении температуры возникает колебание решетки, ковалентные связи между атомами могут разрываться, что приводит к образованию пары носителей заряда – свободного электрона и незаполненной связи – дырки. Процесс образования электронно-дырочных пар называется генерацией носителей заряда (рис.6.1.) . Незаполненная электроном связь быстро заполняется одним из валентных электронов соседнего атома, на месте которого образуется дырка. Электроны и дырки совершают хаотическое движение в течение некоторого времени, после чего свободный электрон возвращается на место разорванной валентной связи, при этом исчезает пара свободных носителей заряда. Процесс этот называется рекомбинацией. В полупроводниках используются примесные полупроводники, у которых число носителей заряда существенно увеличивается. При введении в кремний атома элемента Vгруппы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева (например, мышьякаAs)четыре его валентных электрона вступают в связь с четырьмя соседними электронами кремния и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов.
Рис. 6.1. Кристаллическая структура полупроводников
Девятый электрон слабо связан с ядром пятивалентного элемента, он отрывается и становится свободным. Дырки при этом не образуется.
Примесный атом становится ионом с положительным зарядом. Примесь этого типа называется донорной, а полупроводники электронными или n-типа электропроводности. В таких полупроводниках электроны свободны, а дырки связаны. Если в кремний введен атом трехвалентного элемента (например, бораВ), то все три валентных электрона вступают в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния. Для устойчивой оболочки не хватает одного. Им является один из валентных электронов, отбираемый от соседнего атома, у которых образуется незаполненная связь – дырка. Примесь такого типа называется акцепторной, а полупроводники -дырочными илир-типа электропроводности. Дырки в них свободны, а электроны связаны. Носители зарядов, преобладающие в данном полупроводнике называются основными. В полупроводникахп-типа основные носители электроны, а не основные – дырки. В полупроводникахр-типа основные носители дырки, а не основные - электроны, (рис.6.1. а, б).
6.2.Электронно-дырочный переход
Электронно-дырочным переходом называется обедненный свободными носителями зарядов слой полупроводника, разделенный на электронную и дырочную области. Рассмотрим свойства равновесного полупроводника при отсутствии внешнего напряжения (рис. 6.2. а). Предположим, что кристалл разделен на две области: левая область р-дырочная, а праваяп-область-электронная.
Дырки под действием сил теплового движения из области р переходят в область п, где они уже будут не основными носителями, а электроны из областиппереходят в областьр, где тоже будут не основными носителями. Из-за ухода через переход на его правой границе создается пространственный заряд отрицательный, а с левой стороны образуется положительный пространственный заряд из-за ухода электронов.
Рис. 6.2. Условное изображение p-n, перехода (а) с прямым и обратным напряжением (в, б)
Образование пространственных зарядов в р-ппереходе приводит к появлению контактной разности потенциалов. За счет контактной разности потенциалов создается электрическое поле. Оно препятствует диффузии дырок и электронов через переход и стремится вернуть дырки и электроны в свои области. Поэтому в центральной части перехода образуется слой с малой концентрацией носителей зарядов и поэтому с большим сопротивлением. Этот слой называетсязапирающимт.е. препятствующим прохождению тока. Внутреннее поле подхватывает не основные носители каждой области и переносит их в соседнюю, образуя дрейфовый ток. В состоянии равновесия дрейфовый и диффузионный токи равны и противоположны. Общий ток равен нулю.
Если к пластине полупроводника с р-ппереходом подключить источник постоянного тока напряжениемVплюсом кp - области, а минусом кn-области (рис. 6.2. б), в полупроводнике возникает электрическое полеЕnр, направленное навстречу полю пространственных зарядовЕки результирующее полеЕрвр-п. переходе будет меньше поляЕкпонизится потенциальный барьер, ток диффузии увеличится. Такое включениер-пперехода называется прямым включением, а внешнее напряжение такой полярностипрямым напряжениемUnp. Так как диффузионный ток стал больше дрейфового тока, то через переход, а следовательно, и через пластину начнет проходить прямой токInр. Если прямое напряжение плавно увеличивать, токIпрбудет расти, сопротивление запирающего слоя уменьшается. Этот процесс называется инжекцией.
Если к р-ппереходу приложить напряжение обратной полярности (рис. 6.2в), то в полупроводнике возникнет электрическое полеЕобр, совпадающее по направлению с полемЕк, и результирующее полеЕрстанет больше поляЕк. Потенциальный барьер увеличится, сопротивление запирающего слоя увеличивается. Такое включениер-пперехода называется обратным включением, а внешнее напряжение обратным напряжениемUобр. Ток, обусловленный преимущественно неосновными носителями зарядов, называется обратным токомIобр. Вольт- амперная характеристикар-пперехода (рис. 6.3а).Основные свойства р-п перехода- зависимость его сопротивления от полярности приложенного напряжения. При прямом включении оно мало, а при обратном - велико, таким образомр-ппереход обладает односторонней проводимостью.