Примесные полупроводники

Чтобы превратить собственный полупроводник в примесный, необходимо ввести в его кристаллическую решетку некоторое количество специально подоб­ранной химической добавки (примеси), т. е. осуществить легирование полупроводника. Про­водимость, обусловленную наличием примесных атомов, называют примесной проводиомстью. Примеси, характерные для кремния, являются примесями за­мещения.

Если ввести в кремний атомы пятивалентного элемента (например, фосфора, сурьмы или мышьяка), то четыре из пяти валентных электронов вступят в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния (рис. 1.4, а) и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов. Девятый электрон в этой комбинации оказывается слабо связанным с ядром пятивалентного элемента; он легко отрывается фононами и делается свободным. При этом примесный атом превращается в неподвижный ион с единичным положительным зарядом.

Свободные электроны примесного происхождения добавляются к собственным свободным электронам. Поэтому проводимость полупроводника становится преимущественно электронной. Такие полупроводники называются электронными или n -типа. Примеси, обуславливающие электронную проводимость, называют донорными.

Если ввести в кремний атом трех­валентного элемента (на­пример, бора, галлия или алюминия), то все три валентных элек­­трона вступят в связь с четырьмя электронами соседних атомов (рис. 1.4, б). Для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки нужен допол­ни­тельный электрон. Тако­вым оказывается один из валентных электронов, который отбирается от ближайшего атома кремния. В результате образуется незаполненная связь – дырка, а атом примеси превращается в неподвижный ион с единичным отрицательным зарядом. Дырки примесного происхождения добавляются к собственным дыркам, так что проводимость полупроводника становится преимущественно дырочной. Такие полупроводники называются дырочными или p -типа. Примеси, обуславливающие дырочную проводимость, называются акцепторными.

Поскольку в при­месных полупроводниках концентрации электронов и дырок резко различны, принято называть носителей преобладающего типа основными, а носителей другого типа – неосновными. В полупроводнике n -типа основные носители – электроны, а в полупроводнике p -типа – дырки.

1.3 Равновесное состояние р-п -перехода

Пусть имеется образец монокристалла, изготовленного таким образом, что относительная доля примесных атомов составляет 10 ^-11. При этом можно считать, что данный кристалл является собственным полупроводником. Из монокристалла вырезается тонкая пластина, в которую внедряются донорная или акцепторная примесь. Для этого можно использовать, например, управляемый процесс диффузии или вырастить на поверхности эпитаксиальный слой. В результате образуется p-n - переход.

Примесный полупроводник, используемый для создания p-n - перехода кремния, должен содержать незначительную долю примесных атомов, например один примесный атом на сто миллионов атомов чистого вещества. Это нужно для того, чтобы носители, пересекающие p-n - переход, не испы­тывали реком­бинации. Переходы мощных дискретных приборов имеют квадратную форму со стороной примерно 3 мм; толщина переходов ИС не превышает 0,01 мм

В полупроводнике с областями р - и n -типов, образующими пе­реход, можно выделить следующие пространственные области: металлургический переход (ко­н­такт) (воображаемая плоскость, разделяющая р и n - об­ласти), область перехода, или об­ласть пространственного заряда, или обедненная область (располагается по обе стороны металлургического перехода и имеет толщину от 10^-6 до 10^{-4 см в зависимости от технологии производства), нейтральные области (р и} n - области), лежащие между областью пространственного заряда и границами полупроводников р и n - типов, и, наконец, омические контакты, которыми оканчиваются нейтральные области. Основные носители n - области диффундируют в р - область и рекомбинируют с дырками в р - области, вследствие чего и возникает в отрицательный пространственный заряд слева (на рис. 1.5) от металлургического перехода. Аналогичным образом справа от металлургического перехода образуется положительный заряд при диффузии основных носителей р - области в n - область.

Возникающее в условиях термодинамического равновесия напряжение в обедненных областях и ведет к прекращению диффузионного тока.

1.4 Прямо и обратно смещенный p-n – переход

На рис. 1.6 представлено изменение p-n – перехода при увеличении подаваемого напряжения к p - области плюс и к n - области минус источника на­пря­жения. При величине подаваемого напряжения меньше порогового значения ток через p-n- переход (диод) не проходит. При величине подаваемого напряжения больше порогового обедненные области p-n - перехода исчезают. Начинается движение электронов и дырок навстречу друг другу и на границе металлургического перехода они уничтожают друг друга. Этот процесс называется аннигиляцией. Пополнение электронов и дырок происходит от источника подаваемого напряжения. Таким образом, ток через p-n -переход образован двумя типами частиц – электронами и дырками. Отсюда происходит слово биполярный.