1.1.1. Полупроводниковые материалы.
К полупроводникам относятся вещества, занимающие по величине удельной электрической проводимости промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Их удельная электрическая проводимость лежит в пределах от 10-8 до 105 см/м и в отличие от металлов она возрастает с ростом температуры. (Удельные электрические сопротивления 10-2—1010 ом*см).
Полупроводники представляют собой достаточно многочисленную группу веществ. К ним относятся химические элементы: германий, кремний, бор, углерод, фосфор, сера, мышьяк, селен, серое олово, теллур, йод, некоторые химические соединения и многие органические вещества.
Применяемые в электронике полупроводники имеют весьма совершенную кристаллическую структуру. Их атомы размещены в пространстве в строго периодической последовательности на постоянных расстояниях друг от друга, образуя кристаллическую решетку. Решетка наиболее распространенных в электронике полупроводников - германия и кремния - имеет структуру алмазного типа. В такой решетке каждый атом вещества окружен четырьмя такими же атомами, находящимися в вершинах правильного тетраэдр.
Каждый атом, находящийся в кристаллической решетке, электрически нейтрален. Силы, удерживающие атомы в узлах решетки, имеют квантово- механический характер; они возникают за счет обмена взаимодействующих атомов валентными электронами. Подобная связь атомов носит название ковалентной связи, для ее создания необходима пара электронов.
1.1.1. Проводимость в полупроводниках
Электрический ток в полупроводниках обусловлен движением сравнительно небольшого количества электронов. Эта характерная особенность полупроводников объясняется тем, что валентные электроны атомов, из которых состоят полупроводники, прочно связаны со своими атомами и не могут двигаться, т. е. не являются свободными. Отрыв их от атомов может произойти в результате нагревания полупроводников внешним источником тепла, а для некоторых полупроводников освещением их. Это увеличивает энергию электронов, в результате чего электроны переводятся в более высокое энергетическое состояние, которое позволяет им отрываться от атомов и перемещаться под действием приложенного напряжения. Чем выше температура проводника, тем более высокие энергетические состояния приобретают электроны и тем большее количество их освобождается.
В отличие от металлов полупроводники имеют в большом интервале температур отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления, т.е. положительный температурный коэффициент удельной проводимости. Для них характерна сильная зависимость значения уд. проводимости от вида и количества содержащихся в них примесей.
У полупроводников между валентной зоной и зоной проводимости имеется запрещённая зона. При температуре абсолютного нуля и в отсутствие внешнего воздействия их валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости свободна от электронов. К п/п – кам условно относят вещества с шириной запрещённой зоны ΔWi = 0.05-3.0 эВ.
Область или зона энергетических состояний электронов, находясь в которой они могут создавать ток, носит название зоны проводимости. Для многих полупроводников достаточно невысокой температуры (например, комнатной), чтобы перевести некоторое количество электронов их атомов в зону проводимости. Непрерывное повышение температуры усиливает процесс такого перехода и проводимость полупроводника в результате этого увеличивается.
Итак, электропроводность в полупроводниках обусловливается электронами. Она называется электронной электропроводностью или электропроводностью n-типа. В данном случае электроны, создающие ток, принадлежат атомам самого полупроводника, а не атомам примеси, поэтому такую электропроводность называют собственной.
У атома, электрон которого перешел в зону проводимости, образовался, таким образом, недостаток одного электрона. Такие атомы превращаются в положительные ионы, которые, однако, закреплены на месте и не в состоянии двигаться и принимать участие в создании тока. Место отсутствующего электрона может занять электрон с соседнего атома, у которого такого недостатка нет. В результате этого перехода появится у второго атома недостаток в электроне.
Если приложить электрическое напряжение, перескок электронов с одних атомов на другие (соседние) примет характер направленного перемещения их в одну сторону. Одновременно с этим образующиеся положительно заряженные атомы будут возникать в направлении, противоположном движению электронов. Это будет похоже на движущиеся положительные заряды, т. е. на ток, создаваемый положительными электрическими зарядами, которые движутся в направлении, противоположном движению электронов.
Отсутствие в атоме электрона в результате перехода его в зону проводимости получило название дырки ('в атоме). Электрический же ток, образующийся при движении дырок, называют дырочным током. Электропроводность, обусловленная этим дырочным током, называется дырочной электропроводностью или электропроводностью р-типа .
Итак, движение электронов (в одном направлении) и дырок атомов (в обратном направлении) самого полупроводника создает собственную электропроводность, которая с повышением температуры возрастает.
1.1.1. Примесная проводимость
Удельное сопротивление полупроводников существенно меняется при введении в их кристаллическую решетку определенного количества специально подобранных химических добавок - примесей. Например, введение одного атома бора на 105 атомов кристалла кремния обеспечивает увеличение электропроводности при комнатной температуре в 1000 раз.
Полупроводники, электрические характеристики которых определяются примесями, носят название примесных полупроводников, а обусловленная внедрением примесей электропроводность - примесной электропроводностью. Большинство полупроводниковых приборов изготавливают на основе примесных полупроводников. В рабочем диапазоне температур поставщиками основного количества носителей заряда в примесном полупроводнике должны быть примеси. Поэтому важнейшее практическое значение имеют полупроводниковые материалы, у которых ощутимая собственная концентрация носителей заряда появляется при возможно более высокой температуре, то есть полупроводники с достаточно большой шириной запрещенной зоны.
В полупроводниках, состоящих из атомов одного химического элемента, примесями являются чужеродные атомы, которые замещают часть основных атомов полупроводника в узлах кристаллической решетки.
В полупроводниках, состоящих из атомов нескольких химических элементов, примесями могут быть как чужеродные атомы, так и избыточные по отношению к стехиометрическому составу атомы химических элементов, образующих сложный полупроводник.
Помимо атомов посторонних химических элементов роль примесей могут играть различные дефекты кристаллической решетки: пустые узлы, дислокации или сдвиги, возникающие при пластических деформациях, и т.д. В связи с этим вместо термина “примесная электропроводность” иногда используют более общий термин - “дефектная электропроводность”
Механизм примесной электропроводности зависит от типа используемой примеси.
Рассмотрим кристалл кремния, в котором часть основных атомов кристаллической решетки замещена примесными атомами фосфора P. У атома фосфора пять валентных электронов, четыре из которых участвуют в образовании ковалентных связей с четырьмя соседними атомами кремния, а пятый электрон оказывается избыточным. Из-за большой диэлектрической проницаемости полупроводника кулоновское притяжение избыточного электрона ядром фосфора в значительной мере ослаблено, поэтому радиус орбитали избыточного электрон а оказывается большим и может доходить до несколько межатомных расстояний (рис.).
Достаточно небольшого энергетического воздействия, чтобы оторвать избыточный электрон от примесного атома и сделать его свободным, при этом атом примеси превращается в положительно заряженный ион, неподвижно закрепленный в узле кристаллической решетки. Свободные электроны примесного происхождения добавляются к собственным свободным электронам, поэтому электропроводность полупроводника становится преимущественно электронной. Такие примесные полупроводники называются электронными (донорными) полупроводниками или полупроводниками n-типа, а примеси, обусловливающие электронную проводимость - донорными примесями. В отличие от собственных полупроводников образование свободных электронов, обусловленное донорными примесями, не сопровождается образованием дырок, поэтому в полупроводниках n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными носителями заряда - дырки. Наиболее распространенными донорными примесями по отношению к кристаллам кремния и германия являются атомы пятой группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева: фосфор, мышьяк, сурьма, висмут.
Если в кристаллическую решетку кремния в качестве примеси внедрить атомы какого-либо трехвалентного элемента, например, бора B, то для установления химических связей с четырьмя соседними атомами кристаллической решетки у примесного атома не хватает одного электрона, вследствие чего одна ковалентная связь оказывается ненасыщенной, то есть образуется вакансия (дырка). Потребность в установлении четырех химических связей приводит к тому, что атом бора может захватить недостающий электрон у одного из соседних атомов кремния. Захваченный электрон локализуется в примесном атоме и не принимает участия в создании электрического тока, так как атом-акцептор достроил свою оболочку до устойчивого состояния. В результате примесный атом превращается в отрицательный ион, неподвижно закрепленный в узле кристаллической решетки, а вблизи атома кремния, отдавшего электрон, появляется вакантное энергетическое состояние - дырка. За счет эстафетного перехода электронов от одного атома к другому дырка может перемещаться по кристаллу (рис.).
Дырки примесного происхождения добавляются к собственным дыркам, поэтому электропроводность полупроводника становится преимущественно дырочной. Такие примесные полупроводники называются дырочными (акцепторными) полупроводниками или полупроводниками p-типа, а примеси, обусловливающие дырочную проводимость - акцепторными примесями. В отличие от собственных полупроводников образование свободных дырок, обусловленное акцепторными примесями, не сопровождается образованием свободных электронов, поэтому в полупроводниках p-типа основными носителями заряда являются дырки, а неосновными - свободные электроны. Наиболее распространенными акцепторными примесями по отношению к кристаллам кремния и германия являются атомы третьей группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева: бор, алюминий, галлий, индий.
Минимальная энергия, необходимая атому-акцептору, чтобы захватить у соседнего атома кристаллической решетки электрон, недостающий для образования устойчивой электронной оболочки, называется энергией ионизации акцепторной примеси.
1.1.1. Основы работы p-n перехода
Базовой структурой обеспечивающей работу большей части диодов, является p-n переход, представляющий собой контакт двух зон полупроводника с различными типами проводимости. Зона в которой преобладает дырочная проводимость именуется p-тип, там где основными носителями заряда являются электроны – именуется n-типом.
Изначально в области pприсутствуют в основном дырки, а в области nэлектроны, рис. 1., Затем электроны начинают активно проникать, диффундировать, в область p где электронов практически нет. Происходит это под действием градиента концентрации носителей в разных областях рис. 2. Здесь они рекомбинируют с дырками и создают пространственный отрицательный электрический заряд ионизированных атомов акцептора, не скомпенсированный положительным электрическим зарядом дырок.
Ровно то же происходит и с дырками, которые диффундируют в n область. Здесь создается не скомпенсированный электрическим зарядом электронов пространственный положительный электрический заряд ионов донора. В результате такого движения в близи границы p-n перехода со стороны области n образуется большое количество не скомпенсированных положительных ионов, образованных в результате дрейфа электронов в p область. При этом в p области, около границы, наблюдается большое количество отрицательных ионов, рис. 3. Иными словами формируется область неподвижных электрических зарядов, которые образуют электрическое поле, с силовыми линиями тормозящими, и не дающими основным носителям заряда преодолеть p-n переход, рис. 4.
Контактное поле поддерживает состояние равновесия на определенном уровне. Но и в этом случае под действием тепла небольшая часть электронов и дырок будет продолжать проходить через потенциальный барьер, обусловленный пространственными электрическими зарядами, создавая электрический ток диффузии. Однако одновременно с этим под действием контактного поля неосновные носители электрического заряда p- и n-областей (электроны и дырки) создают небольшой электрический ток проводимости. В состоянии равновесия эти токи взаимно компенсируются.
Путем включения полупроводника с электронно-дырочным переходом в электрическую цепь потенциальный барьер обедненного слоя можно либо ослабить, либо усилить. В соответствии с этим различают прямое и обратное включение.
При приложении к кристаллу внешнего напряжения в обратном направлении, положительный электрод к n-области, а отрицательный к р-области, происходит усиление внутреннего поля потенциального барьера, в результате чего ток в цепи не протекает и формируется только за счёт тока не основных носителей, который не зависит от величины приложенного напряжения, рис. 5.
При приложении к кристаллу внешнего напряжения в прямом направлении, положительный электрод к p-области, а отрицательный к n-области, происходит ослабление, либо полная компенсация внутреннего поля потенциального барьера, в результате чего ток в цепи протекает без препятствования со стороны p-n перехода, и ограничивается только омическим сопротивлением материалов, рис. 6.
Следите за публикациями, далее расскажу об основных параметрах диодов, разновидностях и схемах их применения...