Материал: Физические основы и схемотехника электронных устройств автоматики. Гиоргадзе А.L., Кириллов Ю.В
жении атомов германия, отдает один электрон в зону проводимости.
Рис. 1.15
Полупроводники с преобладанием электронной электропроводности называют электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа. Зонная диаграмма такого полупроводника показана на рис. 1.16. Энергетические уровни атомов донора расположены лишь немного ниже зоны проводимости основного полупроводника. Поэтому из каждого атома донора один электрон легко переходит в зону проводимости, и таким образом в этой зоне появляется дополнительное число электронов, равное числу атомов донора. В самих атомах донора при этом дырки не образуются.
Рис. 1.16
Если же четырехвалентный германий содержит примеси трехвалентных бора (В), или индия (In), или алюминия (А1), то их атомы отнимают электроны от атомов германия и в последних образуются дырки. Вещества, отбирающие электроны и создающие примесную дырочную электропроводность, называют акцепторами («акцептор» означает «принимающий»). Атомы акцептора, захва-
78
тывая электроны, сами заряжаются отрицательно. Рис. 1.17 показывает схематически, как атом акцепторной примеси, расположенный среди атомов германия, захватывает электрон от соседнего атома германия, в котором при этом создается дырка.
Рис. 1.17
Полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа (рис. 1.18). Энергетические уровни акцепторных атомов располагаются лишь немного выше валентной зоны. На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, в которой при этом возникают дырки.
В полупроводниковых приборах используются главным образом полупроводники, содержащие донорные или акцепторные примеси и называемые примесными. При обычных рабочих температурах в таких полупроводниках все атомы примеси участвуют в создании примесной электропроводности, т.е. каждый атом примеси либо отдает, либо захватывает один электрон.
Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов донорной примеси Nд, или акцепторной примеси Nа должна превышать концентрацию собственных носителей заряда. Практически при изготовлении примесных полупроводников значения Nд или Na всегда во много раз больше, чем ni или pi. Например, для германия, у которого при комнатной температуре ni=рi=1013см-3, концентрации Nд и Na могут быть равными 1015 – 1018см-3 каждая, т.е. в 102 – 105 раз больше концентрации собственных носителей. В дальнейшем все числовые примеры мы будем приводить для германия при комнатной температуре.
79
Рис. 1.18
Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными. Ими являются электроны в полупроводнике n-типа и дырки в полупроводнике р-типа. Неосновными называются носители заряда, концентрация которых меньше, чем концентрация основных носителей. Если Nд»ni, то можно пренебречь концентрацией собственных носителей, т.е. электронов, и тогда nn≈Nд. Например, для германия n-типа может быть nn≈1016см-3. Ясно, что по сравнению с этим значением концен-
трацию собственных носителей ni =1013см-3 учитывать не нужно,
так как она в 1000 раз меньше.
Концентрация неосновных носителей в примесном полупроводнике уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается концентрация основных носителей. Таким образом, если в германии i-типа ni=pi=1013см-3, а после добавления донорной примеси концентрация электронов возросла в 1000 раз и стала nn=1016см-3, то концентрация неосновных носителей (дырок) уменьшится в 1000 раз и станет pn=1010см-3, т.е. будет в миллион раз меньше концентрации основных носителей. Это объясняется тем, что при увеличении в 1000 раз концентрации электронов проводимости, полученных от донорных атомов, нижние энергетические уровни зоны проводимости оказываются занятыми и переход электронов из валентной зоны возможен только на более высокие уровни зоны проводимости. Но для такого перехода электроны должны иметь большую энергию, чем в собственном полупроводнике, и поэтому значительно меньшее число электронов может его осуществить. Соответственно этому значительно уменьшается число дырок проводимости в валентной зоне. Оказывается, что всегда для примесного полупроводника n-типа справедливо соотношение
80
nnpn=nipi=ni2=pi2
В нашем примере получилось: 1016∙1010=(1013)2=1026. Сказанное о полупроводнике n-типа относится также и к
полупроводнику р-типа. В нем Na»pi, и можно считать, что рр≈Na. Например, для германия р-типа может быть рр=1016 и nр=1010см-3.
Для полупроводника р-типа также всегда справедливо соотношение nnpp=nipi=ni2=pi2
Рассмотренные примеры наглядно показывают, что ничтожно малое количество примеси существенно изменяет характер электропроводности и проводимость полупроводника. Действительно, концентрация примеси 1016см-3 при числе атомов германия 4,4∙1022 в 1см3 означает, что добавляется всего лишь один атом примеси на четыре с лишним миллиона атомов германия, т.е. примесь составляет менее 10-4%. Но в результате этого концентрация основных носителей возрастает в 1000 раз и соответственно увеличивается проводимость.
Получение полупроводников с таким малым и строго дозированным содержанием нужной примеси является весьма сложным процессом. При этом исходный полупроводник, к которому добавляется примесь, должен быть очень чистым. Для германия посторонние примеси допускаются в количестве более 10-8%, т.е. не более одного атома на 10 миллиардов атомов германия. А для крем-
ния посторонних примесей допускается еще меньше: они не должны превышать 10-11%.
Удельная проводимость примеси полупроводников определяется так как и для собственных полупроводников. Если пренебречь проводимостью за счет неосновных носителей, то для полупроводников n-типа и р-типа можно соответственно написать
σ n=nne n и σp=ppe p
Рассмотрим прохождение тока через полупроводники с разным типом электропроводности, причем для упрощения будем пренебрегать током неосновных носителей. Как и ранее дырки изображены светлыми (рис.1.19б), а электроны – темными (рис.1.19а) кружками. Знаки «плюс» или «минус» обозначают, соответственно заряженные атомы кристаллической решетки. Под действием ЭДС источника в проводах, соединяющих полупроводник n-типа с источником, и в самом полупроводнике движутся электроны проводимости. В соединительных проводах полупроводника р-типа попрежнему движутся электроны, а в самом полупроводнике ток сле-
81
дует рассматривать как перемещение дырок. Электроны с отрицательного полюса поступают в полупроводник и заполняют пришедшие сюда дырки. К положительному полюсу приходят электроны из соседних частей полупроводника, и в этих частях образуются дырки, которые перемещаются от правого края к левому.
Рис. 1.19
В электротехнике принято условное направление тока от плюса к минусу. При изучении электронных приборов обычно удобнее рассматривать истинное направление движения электронов
– от минуса к плюсу. Мы будем показывать, как и выше, это направление стрелкой с жирной точкой в начале, а условное направление тока – стрелкой без точки.
1.4.4. Диффузия носителей заряда в полупроводниках
В полупроводниках помимо тока проводимости (дрейфа носителей) может быть еще диффузионный ток, причиной возникновения которого является не разность потенциалов, а разность концентраций носителей.
Если носители заряда распределены равномерно по полупроводнику, то их концентрация является равновесной. Под влиянием каких-либо внешних воздействий в разных частях полупроводника концентрация может стать неодинаковой, неравновесной. Например, если часть полупроводника подвергнуть действию излучения, то в ней усилится генерация пар носителей и возникнет дополнительная концентрация носителей, называемая избыточной.
Так как носители имеют собственную кинетическую энергию, то они всегда переходят из мест с более высокой концентра-
82