Примесная проводимость полупроводников.Электронно-дырочный переход, полупроводниковый диод.Полупроводниковый триод (транзистор)

ЛЕКЦИЯ № 6 Примесная проводимость полупроводников. Электронно-дырочный переход, полупроводниковый диод. Полупроводниковый триод (транзистор) 6.1. Примесная проводимость полупроводников Некоторые примеси весьма существенно влияют на электрические свойст­ва полупроводников. Так, добавление в кремний (Si) бора (B) в количестве од­ного атома на 105 атомов кремния увеличивает проводимость при комнатной температуре в тысячу раз по сравнению с чистым кремнием. Донорные примеси, полупроводники n-типа Для четырехвалентных полупроводников германия (Ge) и кремния (Si) донорными примесями являются атомы пятивалентных элементов, таких, как фосфор (P), мышьяк (As), сурьма (Sb). Название «донор» происходит от лат. donare - дарить. Каждый атом донорной примеси поставляет один элек­трон. Примесный полупроводник, в котором носителями заряда являются элек­троны, заряд которых отрицателен, называется полупроводником n-типа (от лат. negativ - отрицательный). На рис. 14.1, а) изображена схема кристаллической решетки германия (Ge), в которой на месте одного из атомов решетки помещен атом фосфора (P), у которого пять валентных электронов. Четыре из них образуют ковалент­ные связи с соседними атомами германия, а пятый, донорный, удерживается у положительного иона фосфора слабым кулоновским притяжением, наподобие электрона в атоме водорода. На рис. 14.1, б, изображена энергетическая зонная схема полупроводника с донорной примесью. На энергетической схеме присутствие донорного электрона изображают, размещая его энергетический уровень на расстоянии Ed от дна зоны проводи­мости. Для того, чтобы этот электрон перешел в зону проводимости ему, нужно сообщить энергию Ed. Энергию связи донорного электрона с ионным остатком Ed можно оце­нить, пользуясь результатами, полученными для атома водорода, полученными ранее. Как известно из (4.9), (8.3), энергия связи электрона в основном состоя­нии атома водорода: При таких значениях энергии связи для перевода электрона с донорного уровня в зону проводимости достаточно энергии теплового движения kT при комнатных и даже более низких температурах. Так, при Ed = 0,006 эВ доста­точно уже температуры T = 70 K (или около -200оС), чтобы kT сравнялось с Ed. Это значит, что при комнатных температурах все электроны с донорных уров­ней перейдут в зону проводимости: произойдет полная ионизация доноров. Вследствие полной ионизации доноров, примесная проводимость не будет за­висеть от температуры, а будет определяться только концентрацией при­месных атомов. 6.2. Акцепторные примеси. Полупроводники p-типа Акцепторными примесями для германия и кремния являются атомы трехвалентных элементов, таких, как бор (B), алюминий (Al), галлий (Ga), индий (In). Название «акцептор» происходит от лат. acceptor - приемник. Каждый атом акцептора забирает из валентной зоны один электрон, создавая в валент­ной зоне носитель заряда - дырку. Такой примесный полупроводник, в котором носителями заряда являются положительные дырки, называется полупроводни­ком p-типа (от лат. positiv - положительный). На рис. 14.2, а изображена схема кристаллической решетки германия (Ge) в которой на месте одного из атомов германия помещен атом бора (B), у ко­торого три валентных электрона. На рис. 14.2, б, изображена энергетическая зонная схема полупроводника с акцепторной примесью. Трехвалентных электронов, которые имеет атом бора, окажется недоста­точно для образования ковалентных связей с четырьмя соседями: одна из свя­зей окажется лишь с одним электроном, полученным от атома германия. На эту незаполненную связь от соседних атомов германия переходит электрон, обра­зуя положительно заряженную дырку на своем прежнем месте, и атом бора, в результате, становится отрицательным ионом. На энергетической схеме (рис. 14.2, б) вакантный уровень (с дыркой на нем) мы должны разместить недалеко от «потолка» валентной зоны, его энер­гия выше «потолка» валентной зоны на величину Ea. За счет теплового движе­ния электрон из валентной зоны может перейти на акцепторный уровень, соз­дав свободную дырку в валентной зоне. На пространственной схеме (рис. 14.2, а) этому процессу соответствует возможность удаления положительной дырки от отрицательного иона бора на сколь угодно большое расстояние: происходит ионизация акцептора и переход дырки из связанного состояния в свободное. Для оценки энергии связи дырки Ea (она же - энергия ионизации акцепто­ра) можно использовать те же соображения, что применялись для оценки энер­гии связи донорного электрона в предыдущем параграфе. Для бора в германии величина Ea =0,01 эВ. Так как энергия Ea невелика, то при комнатной темпера­туре kT > Ea и все акцепторы будут ионизированы. Таким образом, как и в слу­чае электронной проводимости, дырочная проводимость вследствие ионизации акцепторов не будет зависеть от температуры, а будет определяться только концентрацией примесных атомов. 6.3. Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод Создадим контакт из двух полупроводников, один из которых p-типа, а другой n-типа, как это изображено на рис. 14.3. Такой контакт называют элек­тронно-дырочным переходом, или p-n переходом. Предположим для удобства рассмотре­ния, что контакт создан приведением в со­прикосновение двух образцов полупровод­ника: p и n типа. В первый момент обе части созданного перехода будут электрически нейтральны. В материале p-типа имеются свободные дырки, причем их концентрация равна кон­центрации отрицательно ионизированных примесных акцепторных атомов. В материале n-типа, справа от перехода, име­ются свободные электроны. Их концентрация равна концентрации положитель­но заряженных примесных донорных атомов. Кроме примесных носителей, в полупроводнике всегда присутствует неко­торое количество собственных носителей. Их концентрация при комнатной температуре мала по сравнению с концентрацией примесных носителей, поэто­му их называют неосновными носителями. Таким образом, в p-области концентрация дырок велика, а в n-области ма­ла. С электронами дело обстоит наоборот, их концентрация велика в n-области, а в p-области мала. За счет различия концентраций возникают диффузионные потоки. Дырки из p-области будут двигаться в n-область, одновременно электроны из n-области будут диффундировать в область p. Возникшие потоки зарядов приведут к нарушению электрической ней­тральности. В p-области останутся некомпенсированные отрицательно заря­женные ионы акцепторных атомов. В n-области будет избыток положительно заряженных ионов донорных атомов. В результате образуется двойной слой разноименных зарядов, которые создадут электрическое поле, направленное от n-области к p-области, как это изображено на рис. 14.4. Возникшее поле будет препятствовать диффузионным потокам. Устано­вится равновесное распределение носителей в области p-n перехода. В области двойного электрического слоя электроны и дырки, двигаясь навстре­чу друг другу, рекомбинируют, в результате p-n переход оказывается обеднен­ным носителями, проводимость его становится маленькой. Полупроводниковый диод - прибор, обладающий способностью хорошо пропус­кать через себя ток одного направления и плохо - противоположного направления. Полупроводниковый диод представляет со­бой полупроводниковую пластину с двумя областями различной проводимости: элек­тронной (n-типа) и дырочной (p-типа). Меж­ду ними возникает p-n переход, который и обладает односторонней проводимостью. Подадим на p-n переход разность потенциалов ∆φ (рис. 14.5). На рис. 14.5, а) p-n переход, смещенный в обратном направлении (к области р подан отрицательный потенциал, к n области - по­ложительный), ток через переход почти отсутствует. На рис. 14.5, б p-n пере­ход смещен в прямом направлении (к области p подан положительный потен­циал, к области n - отрицательный), в этом случае ток резко растет с ростом разности потенциалов на p-n переходе. Происходит это по следующим причи­нам. Если отрицательный полюс источника напряжения соединен с p-областью, а положительный с n-областью (рис. 14.5, а), то высота потенциального барьера для основных носителей возрастет. Иными словами, усилится электрическое поле, препятствующее движению основных носителей через p-n переход. В этом случае под действием внешнего поля через переход смогут двигаться только неосновные носители (на рис. 14.5, а), в n-области изображена дырка, которая может «скатиться» с «потенциальной горки»). Следовательно, через p-n переход при обратном смещении будет течь только слабый ток неосновных носителей. Теперь соединим положительный полюс источника с р-областью, а отри­цательный - с П-областью В этом случае внешнее поле будет направлено в сторону, противополож­ную полю двойного электрического слоя. Величина потенциального барьера будет меньше, чем при отсутствии внешнего поля. При достаточно большой положительной внешней разности потенциалов барьер превратится в «горку» для основных носителей. Дырки из p-области будут под действием внешнего поля переходить в область П, а электроны из n-области - в область p. Возникает ток основных носителей через p-n переход, он будет экспоненциально возрас­тать с ростом положительной разности потенциалов. Зависимость тока от напряжения (разности потенциалов) называют вольт­амперной характеристикой для полу­проводникового диода. Вольт-амперная характеристика изображена на рис. 14.6. При отрицательном напряжении течет очень маленький ток неосновных носи­телей. Если отрицательное напряжение больше чем ипр - возникает электрический пробой, через переход течет большой отрицательный ток. 6.4. Полупроводниковый триод (транзистор) Полупроводниковый триод, или транзистор, - это электронный прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электриче­ских сигналов. Состоит он из двух p-n переходов, созданных в одном кристал­ле. В зависимости от чередования переходов, различают p-n-p и n-p-n тран­зисторы. Средняя часть триода называется базой. Толщина ее должна быть, по возможности, меньше. Области с противоположным типом проводимости, при­легающие к базе, называют эмиттером и коллектором. Конструктивно коллек­тор имеет больший объем, чем эмиттер. Рассмотрим принцип работы транзистора на примере схемы, изобра­женной на рис. 14.7 (схема с общей базой). На переход «эмиттер - база» подается небольшое по­стоянное смещение U3 в пря­мом направлении и усиливае­мый переменный сигнал. Пе­реход «база - коллектор» сме­щается в обратном направле­нии, значительно большем, чем U3 напряжением ик. При таких смещениях сопротивле­ние перехода «эмиттер - база» невелико, сопротивление пе­рехода «база - коллектор» ве­лико. Это позволяет взять в качестве нагрузки большое сопротивление R^ix. На рис. 14.8 изображены графики потенциала в зависимости от координа­ты x в направлении, перпендикулярном плоскостям p-n и n-p переходов (рис. 14.7). В случае отсутствия смещения двойной электрический слой, как мы узнали выше, препятствует движению основных носителей через p-n пере­ход. При прямом смещении перехода «эмиттер - база» величина «барьера» уменьшается и «барьер» может пре­вратиться в «горку», с которой будут «скатываться» основные носители (см. рис. 14.5, б). Так, дырки из эмиттера (у нас - p-область) будут в большом количест­ве переходить в область базы (n-область в нашем случае). Если база достаточно тонкая, то большая часть пришедших из эмиттера дырок за счет диффузии дойдет до перехода «база - коллектор», не успев рекомбинировать. А здесь для них, дырок, приготовлена потенциальная «горка», с которой они «скатываются» в область коллектора. У хорошего транзистора до 99% (и больше) основных носителей, вышедших из эмиттера, доходят до области коллектора. Можно считать, что ток коллектора 1к примерно равен току эммиттера 1э. При изменении тока эмиттера, вызванном входным сигналом, настолько же изменится и ток коллектора. При этом мощ­ность выходного сигнала будет больше, чем у входного, так как разность по­тенциалов на переходе «база - коллектор» больше, чем на переходе «эмиттер - база», а электрическая мощность, как известно, равна произведению тока на напряжение: P = IU. Таким образом, рассмотренная нами схема с общей базой усиливает сигнал по мощности. ИТОГИ ЛЕКЦИИ № 6 1. Атомы пятивалентных элементов, таких, как фосфор (Р), мышьяк (As), сурьма (Sb), добавленные в кристаллическую решетку четырехвалентных по­лупроводников германия (Ge) или кремния (Si), называются донорными при­месями. 2. Каждый атом донорной примеси может поставить в зону проводимости один электрон. Полупроводник с донорной примесью называется полупровод­ником n-типа, так как носителями заряда в этом случае являются электроны, за­ряд которых отрицателен (от лат. negativ - отрицательный). 3. Энергия связи донорного электрона с ионным остатком ~ 10 эВ, поэто­му при комнатных температурах все донорные электроны переходят в зону проводимости (полная ионизация доноров). Вследствие этого примесная элек­тронная проводимость не зависит от температуры, а определяется только кон­центрацией доноров. 4. Атомы трехвалентных элементов, таких, как бор (В), алюминий (Al), галлий (Ga), индий (In), добавленные в кристаллическую решетку четырехва­лентных полупроводников германия (Ge) и кремния (Si), называются акцеп­торными примесями. 5. Каждый атом акцептора может забрать из валентной зоны один элек­трон, создавая в ней носитель положительного заряда - дырку. Такой примес­ный полупроводник называется полупроводником р-типа (от лат. positiv - по­ложительный). 6. Энергия, необходимая для ионизации акцептора невелика (~10" эВ), по­этому уже при комнатных температурах все акцепторы будут ионизированы. Вследствие этого, дырочная проводимость не будет зависеть от температуры, а определяется только концентрацией акцепторов. 7. Контакт из двух примесных полупроводников с разным типом проводи­мости называется p-n-переходом. Такой переход обладает односторонней про­водимостью. На основе свойств p-n перехода работает полупроводниковый ди­од. 8. Прибор, состоящий из двух p-n переходов, созданных в одном кристал­ле, называется полупроводниковым триодом, или транзистором. Транзистор используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.