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.
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
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.
|