Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Свойства полупроводников




Свойства полупроводниковых материалов характеризуются сле­дующими показателями: собственная и примесная проводимости полупроводников, электропроводность полупроводников, оптичес­кие и фотооптические явления в полупроводниках, электронные процессы на поверхности полупроводников, контактные явления в полупроводниках.

Собственная и примесная проводимости полупроводников.Соб­ственная проводимость полупроводников может быть рассмотре­на на примере кремния, который является элементом IV группы Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева. Эти элементы образуют алмазоподобную модификацию гранецен-трированной кубической решетки, в которой каждый атом, распо­ложенный в узле кристаллической решетки, окружен четырьмя дру­гими атомами и связан с ними ковалентнои связью. Так как при ковалентнои связи каждый внешний электрон принадлежит одно­временно двум атомам, то внешние оболочки атомов содержат по восемь электронов. При этом все электроны внешних оболочек уча­ствуют в образовании ковалентных связей и свободные носители, создающие электропроводность, отсутствуют (рис. 4.2, а). Для того чтобы электрон превратился в свободный носитель заряда, необхо­димо сообщить ему дополнительную энергию, достаточную для разрыва ковалентнои связи. Такая энергия определяется шириной запретной зоны и называется энергией активации ∆Wa (рис. 4.3).

 

При разрыве ковалентнои связи освободившийся электрон под действием тепловой энергии хаотически движется по объему полу­проводника. На месте оторвавшегося электрона остается положи­тельно заряженная незаполненная связь с зарядом, который равен заряду электрона, называемая дыркой. На зонной диаграмме (рис. 4.3) электрону соответствует зона проводимости Wc, а дырке - не­занятое электроном состояние в валентной зоне Wv. При отсутствии внешнего электрического поля дырка, как и электрон, совершает хаотические движения. При этом сама дырка, в отличие от электрона, не перемещается по крис­таллу. Ее движение связано с тем, что за счет энергии тепловых ко­лебаний решетки электрон сосед­ней ковалентной связи может за­полнить свободную ковалентную связь в атоме с дыркой. В резуль­тате этого атом, у которого за­полняются все связи, становится нейтральным, а в атоме, потеряв­шем электрон, образуется дырка (рис. 4.2, б). Таким образом со­здается впечатление движения дырок.

При действии на полупровод­ник внешнего электрического поля электрон, обладая отрица­тельным зарядом, перемещается в направлении, противополож­ном направлению внешнего поля, достигая скорости v. Отношение средней скорости дрейфа электрона v к напряженности электрического поля Е называют под­вижностью электрона, м2/(В*с),

μn = υ/E (19)

Подвижность электронов дя и дырок д в собственном полупро­воднике может быть различна, так как механизм перемещения в электрическом поле свободных электронов и электронов, которые перемещаются из ковалентных связей по незаполненным связям дырок, различен. Подвижность электронов, как правило, выше под­вижности дырок. Для кремния μn = 0,145 м2/(В*с), μp = 0,045 м2/(В-с).

Концентрация свободных электронов п в полупроводнике в от­личие от металлов значительно ниже концентрации атомов. Напри­мер, собственная концентрация носителей заряда в кремнии состав­ляет 3-Ю16 м -3 при концентрации атомов 5-1028 м -3.

Процесс образования свободных отрицательно заряженных элек­тронов проводимости и положительно заряженных дырок прово­димости называют генерацией электронно-дырочных пар.

Одновременно с генерацией электронно-дырочных пар в полу­проводнике происходит и обратный процесс, когда электроны воз­вращаются из зоны проводимости в валентную зону с выделением энергии ΔW. Этот процесс называют рекомбинацией носителей за­рядов.

Проводимость полупроводника, которая возникает в результате разрыва собственных ковалентных связей, называется собственной.

Собственная электропроводность полупроводника у складыва­ется из электронной электропроводности у„ и дырочной электро­проводности ур:

У =Уп+УР (20)

Примесная проводимость полупроводников обусловлена несовер­шенством кристаллической структуры полупроводника. Дефекты в кристаллической решетке вызывают образование дополнительных энергетических уровней внутри запретной зоны (рис. 4.4). Благодаря этому для перехода электрона с дополнительного уровня в зону про­водимости или из валентной зоны на дополнительный уровень требу­ется энергия, меньше ширины запретной зоны W. В случае перехода электрона с дополнительного энергетического уровня в зону прово­димости появляется дополнительный электрон проводимости. При переходе электрона с валентной зоны на дополнительный энергети­ческий уровень образуется дополнительная дырка проводимости.

Если в кристаллической решетке кремния находится атом примеси, который представляет собой элемент V группы Периодичес­кой системы химических элементов Д. И. Менделеева, например фос­фор (рис. 4.5), то четыре из пяти валентных электронов фосфора будут участвовать в формировании ковалентных связей с соседни­ми атомами основного элемента кремния. Пятый валентный элект­рон фосфора связан только со своим атомом, и прочность этой свя­зи много меньше прочности ковалентной связи. Для перехода это­го электрона на дополнительный энергетический уровень Wa (см. рис. 4.4) требуется энергия, много меньше энергии ширины запрет­ной зоны AW. Для валентного электрона в кремнии энергия иони­зации Wa = 0,044 эВ, AW- 1,12 эВ.

Оторвавшийся от атома фосфора пятый электрон превращается в электрон проводимости. На месте оторвавшегося электрона образу-­ ется дырка, которую не могут за­полнить электроны других атомов фосфора, так как концентрация его в кремнии очень мала и его атомы расположены далеко друг от дру­га. Следовательно, дырка остает­ся неподвижной, дырочная прово­димость в таком полупроводнике отсутствует и его проводимость носит электронный характер.

Полупроводники с преобладанием электронной электропровод­ности называют электронными или n-типа (п - nigative - отрица­тельный). Электроны в полупроводнике «-типа называют основны­ми носителями заряда, а дырки - неосновными носителями.

Дефекты, которые вызывают появление в полупроводнике до­полнительных свободных электронов, называют донорами, а элект­ропроводность, обусловленную донорной примесью, называют электронной. Энергетические уровни Wд при электронной прово­димости расположены вблизи зоны проводимости Wc (см. рис. 4.4).

Если в кристаллической решетке кремния находится атом примеси, который представляет собой элемент III группы таблицы Д. И. Мен­делеева, например бора, то все три валентных электрона бора уча­ствуют в образовании ковалентных связей с кремнием. А одна связь кремния остается незаполненной. Эту связь можно заполнить элект­роном соседнего атома кремния, образовав четвертую ковалентную связь с примесным атомом бора. Для этого электрон должен полу­чить энергию Wa, значительно меньшую, чем энергия запретной зоны ΔW(cu. рис. 4.4). Энергия ионизации для бора Wa = 0,046 эВ.

Приняв дополнительный электрон, атом бора ионизируется и ста­новится отрицательным ионом. При этом одна из четырех связей соседнего атома кремния остается незавершенной, т. е. образуется дырка. В результате тепловых колебаний решетки эта незавершен­ная связь может быть заполнена электроном соседнего атома, обра­зуя новую дырку. Таким образом в результате исчезновения одних дырок и образования новых происходит хаотичное движение дырок в пределах кристалла, которые являются носителями заряда. Поэто­му электропроводность полупроводника носит дырочный характер. Дефекты, которые вызывают появление в полупроводнике до­полнительных дырок проводимости, называют акцепторными, а электропроводность, обусловленную акцепторной примесью, - ды­рочной. Энергетические уровни акцепторных дефектов Wa, как пра­вило, находятся вблизи потолка валентной зоны Wv. Соответствен­но полупроводники с преобладанием дырочной электропроводно­сти называют дырочными или p-типа (р - positive - положительный). В полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а неосновными - электроны.

Введение примесей в полупроводник приводит к появлению при­месной электропроводности, возникающей в результате ионизации атомов примесей. В отличие от собственной примесная электропро­водность образуется благодаря наличию носителей заряда только одного знака (электронов в полупроводниках n-типа и дырок в по­лупроводниках р-типа).

Возможность управлять значением и типом электропроводнос­ти полупроводников в результате введения примесей лежит в осно­ве создания всех полупроводниковых приборов.

Процесс контролируемого введения в полупроводник необхо­димых примесей называют легированием.

Если примеси внедряются между узлами кристаллической решет­ки, то их называют примесями внедрения. При этом тип проводимо­сти определяется в основном относительными размерами атома.

В том случае, когда атом примеси замещает атом полупровод­ника и занимает его место в узле кристаллической решетки, то та­кие примеси называют примесями замещения.

Атомы многих примесей могут и замещать атомы полупровод­ника в узлах кристаллической решетки, и внедряться в междоузлие. Такие примеси называют амфотернылш. Они могут быть донорами и акцепторами.

Реальные полупроводниковые материалы содержат донорные и акцепторные примеси. Если концентрация донорных примесей Na больше концентрации акцепторных примесей Na, то концентрация свободных электронов будет больше концентрации дырок (п>р).

Электроны являются основными носителями, а дырки - неоснов­ными, и в полупроводнике преобладает электронная электропро­водность. Когда концентрация акцепторных примесей Na больше концентрации донорных примесей Nд, то основными носителями заряда становятся дырки и в полупроводнике преобладает дыроч­ная электропроводность.

Примеси, которые не оказывают влияния на электропроводность полупроводников, называют нейтральными.

На свойства полупроводниковых материалов оказывают влия­ние также и другие дефекты кристаллической структуры: дислока­ции', вакансии" и др. Но управлять электропроводностью полупро­водников, используя эти дефекты, невозможно. Поэтому в произ­водстве стремятся получить полупроводниковые материалы с ми­нимально возможным содержанием дефектов кристаллической структуры, а затем производят легирование.

Электропроводность полупроводников. При отсутствии внешне­го электрического поля носители заряда в полупроводнике (элект­роны и дырки) совершают хаотичные движения в пределах крис­талла. В результате приложения внешнего поля электроны начина­ют двигаться в направлении, противоположном направлению поля, а дырки - в направлении поля.

В собственном полупроводнике носителями заряда являются свободные электроны и дырки, концентрации которых одинаковы. При наличии внешнего поля плотность электронной составляющей тока J, протекающего через собственный полупроводник, выража­ется уравнением

Jn = nevn, (21),

где п - концентрация электронов зоны проводимости; е - заряд электрона; vn -дрейфовая скорость электронов.

Аналогично дырочная составляющая плотности тока для соб­ственного полупроводника определяется выражением

Jp=pevp, (22),

где р - концентрация дырок; е - заряд дырки; vp - дрейфовая скорость дырок. Плотность тока через собственный полупроводник J равняется сумме электронной и дырочной составляющей плотности тока:

(23)

J = Jn +Jp = nevn + pevp . (23),

Удельная электрическая проводимость полупро-водника, обус­ловленная электронами, с учетом подвижности электронов μn

γn= ne μn (24),

где μn= vn /E, м2/(В*с).

Удельная электри-ческая проводимость, обусловленная дырками,

γp= ne μp (25),

где μp= vp /E, м2/(В*с).

Удельная электрич-еская проводимость собственного полупро­водника усоб определяется суммой электронной γn и γp:

γсоб = γn + γp = γn= ne μn + ne μp,

для полупроводника с собственной проводимостью п = р.

Удельная электрическая проводимость полупроводника n-типа определяется суммой примесной γпp и собственной γсо6 удельной элек­трической проводимости:

γn = γnp + γcoб (27),

где γnp = nдn; nд- концентрация свободных электронов, образовавшихся за счет ионизации донорной примеси, т. е. в результате перехода электронов с до­норных уровней в зону проводимости.

Таким образом,

γn = nдn + ne μn + ne μp (28)

При комнатной температуре у германия и кремния собствен­ная удельная электрическая проводимость уСОб значительно мень­ше примесной удельной электрической проводимости упр, так как донорная примесь полностью ионизована, а собственная электро­проводность проявляется слабо. При повышении температуры соб­ственная удельная электропроводность увеличивается и в опреде­ленный момент становится больше примесной. Например, для гер­мания с р = 0,1 Ом-м собственная электропроводность начинает преобладать над примесной при температуре 90°С, а для случая с р = 10~5 Ом*м- при 500°С.

Для полупроводника p-типа удельная электрическая проводи­мость

γp = γnp + γcoб (29)

где γnp = рaеμp ; рa - концентрация дырок, образовавшихся за счет ионизации акцепторной примеси, т. е. в результате перехода электронов из валентной зоны на акцепторные уровни.

Удельная электрическая проводимость полупроводников оп­ределяется концентрацией сво­бодных носителей заряда и их подвижностью. Подвижность носителей заряда ц определяет­ся их эффективной массой, ско­ростью и частотой столкновений с узлами и дефектами кристалли­ческой решетки и в целом слабо зависит от температуры. Поэто­му на характер зависимости элек­тропроводности полупроводни­ков от температуры основное влияние оказывает концентрация носителей заряда.

При комнатной температуре концентрация примесных носителей заряда преобладает над соб­ственной. При дальнейшем повышении температуры происходит истощение примеси, т. е. все валентные электроны примеси перехо­дят в зону проводимости и рост проводимости прекращается (рис. 4.6, участок 2-3). Проводимость остается постоянной до тех пор, пока температура не повысится настолько, что тепловой энергии станет достаточно, чтобы собственные электроны могли перейти в зону проводимости Wc, преодолев запретную зону ΔW. Благодаря этому переходу концентрация носителей заряда начнет резко воз­растать за счет собственных электронов (участок 3-4). Концентра­ция собственных атомов полупроводника на несколько порядков больше концентрации атомов примесей, поэтому собственная про­водимость при этой температуре значительно больше примесной. Следовательно, собственная проводимость является определяющей. При высоких температурах полупроводники по проводимости приближаются к проводникам.

При большой концентрации примесей зона дополнительных энергетических уровней сливается с зоной проводимости. В этом случае уже при комнатной температуре все валентные электроны примеси находятся в зоне проводимости, являясь носителями заря­дов, и их концентрация не зависит от температуры. Такой полу­проводник называют вырожденным примесным полупроводником. В таком полупроводнике концентрация примесей не влияет на соб­ственную проводимость.

Повышение проводимости полупроводников с ростом температу­ры температу­ры свидетельствует о том, что полупроводники обладают отрицатель­ным температурным коэффициентом удельного электрического сопро­тивления КТр. Эту зависимость используют для создания полупровод­никовых первичных преобразователей температуры - термисторов.

Собственная электрическая проводимость кремния и германия проявляется при сравнительно низких температурах, поэтому тем­пературный диапазон большинства полупроводниковых приборов невелик (до 1ОО...15О°С).

Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках. При похождении света через полупроводник частицы света (фотоны*) частично отражаются, а частично поглощаются электронами и ато­мами кристаллической решетки. Степень поглощения электромаг­нитной энергии характеризуется коэффициентом поглощения ос. Зна­чение, обратное коэффициенту поглощения 1 /ос, равно толщине слоя полупроводника, при прохождении через который интенсивность света уменьшается в е раз (е = 2,72).

Поглотив фотон, электрон переходит на более высокий энерге­тический уровень. Для перехода в зону проводимости электрону не­обходимо поглотить фотон, энергия которого достаточна для пре­одоления запретной зоны AW. Энергия такого фотона

W = hv= hc/λ, (30),

где h - постоянная Планка, h = 4,14*10 -15эВс; с - скорость света, с= 3*10 -8 м/с; v - частота падающего света; λ - длина волны падающего света.

Например, кремний поглощает свет с длиной волны меньше λ = 1,1 мкм.

Максимальную длину волны, которую поглощает полупровод­ник, называют длинноволновой или красной границей. С учетом того, что ширина запретной зоны различных полупроводников находит­ся в интервале от 0,1 до 3 эВ, то пороговая длина поглощаемого света может находиться в различных частях спектра: инфракрас­ной, видимой, ультрафиолетовой.

Если электромагнитной энергии фотона достаточно для перехо­да электрона из валентной зоны в зону проводимости, то такой пе­реход называют прямым. Если поглощенной энергии фотона недо­статочно для перехода электрона в зону проводимости и требуе­мую дополнительную энергию он получает за счет тепловых коле­баний, то такой переход называют непрямым.

Поглощение света в полупроводнике приводит к появлению до­полнительных при данной температуре неравновесных носителей заряда, что повышает его электропроводность.

Проводимость, вызванную действием света, называют фотопро­водимостью.

При увеличении интенсивности облучения число свободных но­сителей заряда в полупроводнике возрастает. Одновременно увеличивается и интенсивность процесса рекомбинации. Возрастание процессов генерации и рекомбинации идет до тех пор, пока между ними не установится динамическое равновесие. Этот процесс назы­вают релаксацией* фотопроводимости. Время, необходимое для ре­комбинации появившихся при облучении неравновесных носите­лей заряда, для различных полупроводников составляет от наносе­кунд до нескольких часов. Время, за которое концентрация нерав­новесных носителей заряда уменьшается в е раз, называют эффек­тивным временем жизни неравновесных носителей заряда т. Если время жизни свободных электронов в полупроводнике равно х, то в единицу времени число электронов в зоне проводимости уменьша­ется на Δn/τ, где Δn = п -по - изменение концентрации неравновес­ных носителей.

Зависимость электропроводности полупроводниковых матери­алов от освещения используют для создания фоточувствительных приборов, которые работают в широком диапазоне длин волн (от длинных инфракрасных до коротких ультрафиолетовых).

Процесс воздействия света на полупроводник имеет обратимый характер. При обратном переходе электрона из верхнего состоя­ния в нижнее освободившаяся энергия также может быть выделена в виде кванта света. Такое свечение не является тепловым (равно­весным). Среди неравновесных излучений особое место занимает люминесценция.

Электронные процессы на поверхности полупроводников. Реаль­ная поверхность полупроводникового кристалла отличается не только от его модели, но и от объемной структуры реального кри­сталла. На реальной поверхности полупроводника присутствуют различные макро- и микроскопические дефекты. Их появление выз­вано следующими причинами:

появление на поверхности дефектов (дислокации, дефекты упа­ковки) в процессе выращивания полупроводникового кристалла и осаждения эпитаксиальных слоев;

нарушение поверхностного слоя в процессе механической обра­ботки (резка слитков на пластины, шлифовка, полировка пластин), в результате чего происходит нарушение периодичности поверхно­стных слоев;

поглощение поверхностью полупроводника (адсорбция) из ок­ружающей среды посторонних молекул, атомов, ионов. Это погло­щение может происходить под действием электрического поля (фи­зическая адсорбция) или в процессе химических реакций (хемосорбция);

наличие у реальных кристал­лов полупроводников конечных размеров, что приводит к обры­ву кристаллической решетки на поверхности. В результате у ато­мов, расположенных в поверхно­стном слое кристалла, не все ко-валентные связи завершены. По­этому на энергетической диаг­рамме поверхности полупровод­ника в отличие от его объема имеются дополнительные энерге­тические уровни, лежащие в зап­ретной зоне (рис. 4.7, а). Время перехода носителей заряда на по­верхностные уровни полупро­водника примерно 10~8с, поэто­му их называют быстрыми со­стояниями. Через быстрые состо­яния осуществляется поверхнос­тная рекомбинация; наличие окисных пленок на поверхности полупроводника также является причиной для образования дополнительных поверхностных уровней (рис. 4.7, 6). Время перехода свобод­ных носителей заряда на эти уровни составляет от 10~3с до нескольких суток. Длительность перехода на эти уровни связана с тем, что для прохождения элек­трона через окисную пленку не­обходимо значительное время. Такие уровни называют медлен­ными состояниями.

Наличие поверхностных дефектов приводит к тому, что свойства поверхности полупроводника могут значительно отличаться от его объемных свойств.

Поверхностные уровни могут захватывать электроны и дырки, которые локализуются на поверхности полупроводника. В резуль­тате электростатического взаимодействия локализованных на по­верхности электронов с носителями заряда в объеме полупровод­ника возникает пространственный заряд. Появление пространствен­ного заряда приводит к возникновению электрического поля в этом слое и соответственно к искривлению энергетических зон.

Толщина слоя пространственного заряда зависит от плотности поверхностных уровней и от концентрации свободных носителей за­ряда в полупроводнике. При плотности поверхностных уровней по­рядка 1015 м -2 и концентрации свободных носителей заряда 1022 м -3 область пространственного заряда в полупроводнике распространя­ется на глубину примерно 10 -6м.

Появление поверхностных зарядов ухудшает частотные свойства полупроводниковых материалов, поэтому для изготовления высо­кочастотных полупроводниковых приборов необходимо предъяв­лять жесткие требования к качеству поверхности используемых полупроводниковых материалов, ее чистоте и совершенству крис­таллической структуры.

Чтобы исключить адсорбцию посторонних элементов, исполь­зуют чистые технологические среды и материалы, соприкасающие­ся с поверхностью полупроводника в процессе производства при­боров и интегральных схем.

Контактные явления в полупроводниках возникают вокруг гра­ницы раздела контактного электрического поля. Воздействие его на поверхностные слои полупроводника аналогично воздействию некоторого внешнего электрического поля.

Если одна область полупроводника обладает электронной про­водимостью, а другая - дырочной, то границу между этими обла­стями называют электронно-дырочным переходом или р—п-перехо-дом. Получить р—п -переход при механическом соприкосновении полупроводников с различным типом проводимости невозмож­но. Для получения р—п -перехода одну часть полупроводника ле­гируют донорной, а другую - акцепторной примесью. В результа­те одна часть полупроводника обладает электронной электропро­водностью, а другая - дырочной. При соприкосновении электро­ны диффундируют в p-область, где велика концентрация дырок, и рекомбинируют с дырками. Аналогично дырки диффундируют в n-область, где велика концентрация электронов. В результате этого у границы раздела n-области остаются нескомпенсированные ионы донорной примеси, которые создают объемный положительный заряд. У границы раздела p-области нескомпенсированные ионы акцепторов создают объемный отрицательный заряд. Таким об­разом, в области раздела полупроводников n-типа и p-типа обра­зуется зона, содержащая свободные носители заряда. Эта область составляет толщину р—п -перехода. При этом образовавшийся по­ложительный объемный заряд нескомпенсированных ионов до­норной примеси препятствует дальнейшей диффузии дырок из р-области в n-область.

Отрицательный объемный заряд ионов акцепторной примеси препятствует диффузии электронов в p-область. Таким образом нескомпенсированные ионы примеси создают на границе раздела потенциальный барьер для основных носителей заряда. Для преодоления этого барьера основные носители должны обладать дос­таточной кинетической энергией. С помощью приложения внешне­го поля высоту потенциального барьера можно увеличивать или уменьшать, меняя полярность.


Поможем в написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой





Дата добавления: 2015-10-19; просмотров: 2557. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2022 год . (0.056 сек.) русская версия | украинская версия
Поможем в написании
> Курсовые, контрольные, дипломные и другие работы со скидкой до 25%
3 569 лучших специалисов, готовы оказать помощь 24/7