Материал: Курс общей химии. Спиридонов Б.А

ние вакансий в ионно-ковалентного характера соединениях переменного состава для возникновения тех или иных электрофизических свойств полупроводника.

Электропроводность примесных полупроводников (точнее с преобладающей концентрацией донорных или акцепторных уровней) складывается из двух слагаемых: = 1 + 2,

Здесь Е - ширина запрещенной зоны собственно полупроводника; Е' - энергия активации донорного или акцепторного центра (примеси).

Первое слагаемое выражает собственную проводимость, а второе - примесную проводимость полупроводника. При низкой температуре преобладает второй член, так как Е' < Е. С повышением температуры начинает больше проявляться собственная проводимость, а примесная теряет значение. Чем больше Е, тем выше должна быть температура, при которой в примесном полупроводнике станет преобладать собственная проводимость. Так, в примесном кремнии собственная проводимость проявляется при более высокой температуре, чем в примесном германии, потому что ESi = 1,12 эв, а EGe = 0,72 эв при комнатной температуре. Поэтому рабочая температура германиевых приборов не превышает 60 - 80° С, а кремниевые приборы могут работать до 200° С. Надо иметь в виду, что возникновение собственной проводимости, достигающей известной доли примесной, в примесном полупровод-

нике нарушает режим работы приборов.

Иногда при условии активации практически всех донорных или акцепторных центров, когда собственная проводимость еще почти не имеет значения, на кривой = f (T) может появиться область понижения проводимости за счет преобладающего влияния падающей подвижности носителей заряда. При дальнейшем повышении Т и усилении генерации подвиж-

338

ных носителей заряда собственно полупроводника опять повышается проводимость.

Расположение примесных уровней в запретной зоне зависит от положения элемента в периодической системе. Например, в твердых растворах замещения элементы III А подгруппы являются одиночными акцепторами, а элементы V A подгруппы одиночными донорами. Литий может только внедряться в кристаллические решетки германия и кремния и создавать донорные уровни. Энергия активации примесных атомов III А и V A подгрупп в германии значительно меньше, чем в кремнии. Это в известной мере объясняется большей диэлектрической проницаемостью германия (15,9), чем кремния (11,9). Интересно, что энергия активации акцепторов III группы увеличивается от бора к индию. Это объясняется нарастанием металлических свойств элементов от В к In, вследствие чего способность к захвату электронов падает. Отсюда растет энергия активации акцептора.

Следует отметить, что полупроводники, в которые введена какая-либо примесь при определенной температуре, могут оказаться в неравновесном состоянии при рабочей температуре прибора. Это состояние может сохраняться (иногда долго при низкой температуре - ложное равновесие) или медленно изменяться, потому что процессы в твердых телах требуют значительной энергии активации. Однако под влиянием локального нагрева в том или другом полупроводниковом устройстве под влиянием облучения или под действием каталитического центра может начаться более быстрое изменение (диффузионное перераспределение вещества, выкристаллизация избытка примеси и т. п.). В результате теряется надежность устройства, так как изменяются его параметры. Все сказанное выдвигает определенные требования, касающиеся условий и методов приготовления полупроводников, пригодных для обеспечения надежной работы приборов.

p - n -переходы. Получение сплавного диода и триода. p - n - переходом называют переходный слой между электрон-

339

ной и дырочной областью в монокристалле полупроводника. Представим, что монокристалл германия разделен некоторой плоскостью OR (рис. 24), по одну сторону которой, положим слева, находится однородная область n- типа, а по другую сторону - р- типа проводимости. Это значит, что слева от плоскости преобладают донорные примеси, а справа - акцепторные. Допустим, концентрация акцепторов Nа в области р и концентрация доноров NД в области n одинаковы и равны 1016 см-3. Это может быть при некоторой температуре ниже 300 0К, при которой nр = n2i = 1026. Будем считать, что все примеси полностью активированы и n = NД, а р = Na. Тогда в области n концентрация равновесных дырок рn равна 1026 / 1016 = 1010 cм-3. Такая же концентрация электронов nр в правой (дырочной) области.

На рис. 81 изображено постепенное изменение концентрации электронов и дырок в области перехода от электронной

к дырочной части полупроводника (между плоскостями ММ и М1M1).

Рис. 81. Схема распределения примесей, дырок и электронов в полупроводнике с резким изменением типа проводимости

Такое равновесное распределение создается в силу присущей свободным электронам и дыркам способности диффундировать из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией, что требуется законами термодинамики. Пе-

340

ремещение основных носителей через переход обусловливает так называемый диффузионный ток. Благодаря этому в некотором слое области р появится отрицательный заряд, а в области n - положительный. Электроны, попадая из n- области в р- область, оставляют положительные ионы доноров в n- области и частично нейтрализуют дырки в р- области. Дырки, попадая из р- области в n- область, оставляют отрицательные ионы акцепторов в р- области и частично нейтрализуют электроны в n-области. Отрицательные ионы акцепторов и положительные ионы доноров являются неподвижными носителями зарядов.

Таким образом, по обе стороны плоскости OR появляется двойной слой зарядов, противоположных по знаку. По одну сторону - в n- области - он обеднен электронами проводимости, а по другую - в р- области - обеднен дырками, т. е. основными подвижными носителями заряда. Создающееся поле противодействует диффузии дырок в n- область и диффузии электронов в р- область, вследствие чего и устанавливается равновесное распределение электронов и дырок, как изображено на рис. 81.

Область повышенного сопротивления р - n - перехода (между плоскостями ММ и М'М') называется запорным слоем, потому что через него в прямом направлении (пропускном) справа налево электрический ток проходит легко, а в обратном направлении (запорном) - слабо. В результате запорный слой обладает выпрямляющим действием. В зависимости от рода полупроводника и р - n -перехода ширина запорного слоя бывает от долей микрометра до нескольких микрометров.

Для выпрямления переменного тока служит полупроводниковый диод, представляющий собой полупроводниковый кристалл, разделенный на две части р - n- переходом, с укрепленными на электронной и дырочной частях металлическими невыпрямляющими контактами.

Рассмотрим, как будет вести себя запирающий слой во внешнем переменном поле. Когда внешнее поле направлено от

341

электронного полупроводника к дырочному, то оно усиливает существующее контактное поле. Основные подвижные носители заряда разойдутся в противоположные стороны от р - n - перехода. Из-за этого увеличится ширина запорного слоя, а, следовательно, возрастет его сопротивление. Когда знак приложенной разности потенциалов изменится на обратный, то внешнее поле ослабит контактное поле и может даже его перекрыть, вследствие чего ширина запорного слоя станет меньше равновесной и сопротивление его уменьшится. В пропускном направлении тока дырки из р- области и электроны из n- области движутся навстречу друг другу к плоскости OR, в запорном - они расходятся от плоскости OR. Таким образом, в переменном поле толщина запорного слоя то увеличивается, то уменьшается, что обеспечивает преимущественно одностороннюю проводимость выпрямляющей системы.

Зависимость силы тока от величины и направления приложенного напряжения к р - n - переходу характеризуется вольтамперной кривой, изображенной на рис. 82.

Рис. 82. Вольт - амперная характеристика р - n - перехода

Правая ее ветвь характеризует прямое направление тока, а левая - обратное. Чем слабее обратный ток, тем лучше выпрямляющее действие диода.

342