Контрольная работа: Основные качества полупроводников

При введении в 4-валентный полупроводник примесных 5-валентных атомов (Р,Sb) атомы примесей замещают основные атомы в узлах кристаллической решетки. Четыре электрона атома примеси вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних атомов основного полупроводника. Пятый валентный электрон слабо связан со своим атомом и при сообщении ему незначительной энергии, называемой энергией активации, отрывается от атома и становится свободным. Примеси, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными или просто донорами.

Малая энергия активации примесей (0,01... 0,2 эВ) уже при комнатной температуре приводит к полной ионизации 5-валентных атомов примесей и появлению свободных электронов. Поскольку в этом случае появление свободных электронов не сопровождается одновременными увеличением количества дырок (ионизированные 5-валентные атомы, хотя и являются носителями положительного заряда, не могут свободно перемещаться по кристаллу или обмениваться валентными электронами с соседними атомами основного вещества), в таком полупроводнике концентрация электронов оказывается значительно больше концентрации дырок (дырки образуются только в результате разрыва ковалентных связей между атомами основного вещества).

Полупроводники, в которых концентрация свободных электронов превышает концентрацию дырок, называются полупроводниками с электронной электропроводностью или полупроводниками п- типа.

Подвижные носители заряда, преобладающие в полупроводнике, называют основными. Соответственно те носители заряда, которые находятся в меньшем количестве, называются неосновными для данного типа полупроводника. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки.

1.4 Акцепторные примеси, полупроводники с дырочной

электропроводностью

Если в кристалле 4-валентного элемента часть атомов замещена атомами 3-валентного элемента (Ga, In), то для образования четырех ковалентных связей у примесного атома не хватает одного электрона. Этот электрон может быть получен от атома основного элемента полупроводника за счет разрыва ковалентной связи. Разрыв связи приводит к появлению дырки. Примеси, захватывающие валентные электроны, называют акцепторными или акцепторами.

Ввиду малого значения энергии активации акцепторов уже при комнатной температуре многие валентные электроны переходят на уровни акцепторов. Эти электроны, превращая примесные атомы в отрицательные ионы, теряют способность перемещаться по кристаллической решетке, а образовавшиеся при этом дырки могут участвовать в создании электрического тока.

За счет ионизации атомов исходного материала часть валентных электронов становится свободной. Однако свободных электронов значительно меньше, чем дырок. Поэтому дырки в таких полупроводниках являются основными, а электроны — неосновными подвижными носителями заряда. Такие полупроводники носят название полупроводников с дырочной электропроводностью или полупроводников р-типа.

1.5 Понятие р-п -перехода и факторы, влияющие на его свойства

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на физических явлениях, происходящих в области контакта твердых тел. При этом преимущественно используются контакты: полупроводник - полупроводник, металл - полупроводник, металл – диэлектрик - полупроводник. Если переход создается между полу проводниками n - типа и p -типа, то его называют электронно-дырочным или р-п - переходом (рис.1.1). Такой переход создается в одном кристалле полупроводника с использованием сложных технологических операций. Возможны различные исполнения р-n -перехода, отличающиеся: резкостью и уровнем изменения концентраций доноров и акцепторов на границе перехода, размером и формой самого перехода, а также наличием каких-либо неоднородностей в переходе.

В общем случае поведение реального р-n -перехода в состоянии покоя и при подключении внешнего напряжения различного уровня и полярности определяется множеством физических процессов, протекающих в полупроводнике. К ним относятся: термогенерация носителей, поверхностные утечки тока, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей полупроводника, возможности теплового и электрического пробоев и т.д.

На границе р-n -перехода имеет место скачкообразное изменение концентраций донорных и акцепторных примесей. Равновесные концентрации электронов и дырок в разных областях существенно отличаются. Поэтому на границе перехода происходит диффузия электронов из n -области в p -область, а дырок из p -области в n -область.

Рис. 1.1

Такое движение зарядов создает диффузионный ток электронов и дырок. Электроны и дырки, переходя через контакт, оставляют в приконтактной области дырочного полупроводника некомпенсированный заряд отрицательных ионов акцепторных примесей, а в электронном полупроводнике — некомпенсированный заряд положительных донорных ионов. Таким образом, электронный - полупроводник заряжается положительно, а дырочный - отрицательно. Между областями с различными типами электропроводности возникает диффузионное электрическое поле, созданное двумя слоями объемных зарядов. Этому полю соответствует разность потенциалов между n и p -областями, называемая контактной. За пределами области объемного заряда полупроводники п- и р-типа остаются электрически нейтральными (рис. 1.2-1 Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия).

Диффузионное электрическое поле является тормозящим для основных носителей заряда и ускоряющим для неосновных. Электроны p-области и дырки n-области, совершая тепловое движение, попадают в пределы диффузионного электрического поля, увлекаются им и перебрасываются в противоположные области, образуя ток дрейфа или ток проводимости. Выведение же носителей заряда из области полупроводника, где они являются неосновными, через р-n -переход ускоряющим электрическим полем называется экстракцией носителей заряда.

Так как через изолированный полупроводник ток проходить не должен, то между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие. Область, в которой присутствует диффузионное электрическое поле, и называют р-n -переходом. Величина контактной разности потенциалов на переходе определяется отношением концентраций носителей зарядов одного знака в р- и n- областях полупроводника. Ширина слоя объемных зарядов (т.н. запирающий слой) в р и n -областях обратно пропорциональна концентрациям примесей в этих областях, т.е. в несимметричном переходе запирающий слой расширяется в область с меньшей концентрацией примеси. Удельное сопротивление полупроводника в области запирающего слоя существенно выше удельного сопротивления нейтральных областей.

Прямое и обратное включение р-n -перехода

При использовании р-n -перехода в реальных полупроводниковых приборах к нему может быть приложено внешнее напряжение. Величина и полярность этого напряжения определяют поведение перехода и проходящий через него электрический ток (рис. 1.2). Если положительный полюс источника питания подключается к р-области, а отрицательный — к n-области, то включение р-n -перехода называют прямым. При изменении указанной полярности включение р-н-перехода называют обратным.

При прямом включении р-n -перехода внешнее напряжение создает в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему диффузионному полю. Напряженность результирующего поля падает, что сопровождается сужением запирающего слоя. В результате этого большое количество основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в соседнюю область, ток дрейфа при этом не изменяется, поскольку он зависит от количества неосновных носителей, появляющихся на границах перехода, т.е. через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном диффузионной составляющей. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально.

Рис. 1.2 Электронно-дырочный переход (а, б, в) и распределение поля в электронно-дырочном переходе (г, д, е)

При включении р-n -перехода в обратном направлении внешнее обратное напряжение создает электрическое поле, совпадающее по направлению с диффузионным, что приводит к росту потенциального барьера и увеличению ширины запирающего слоя. Все это уменьшает диффузионные токи основных носителей. Для неосновных носителей поле в р-n -переходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется.

Вольтамперные характеристики электронно-дырочного перехода

Теоретическая вольтамперная характеристика (ВАХ) электронно - дырочного перехода выражается уравнением (уравнение Эберса-Моша)

Однако приведенное уравнение весьма приблизительно совпадает с реальными вольт- амперными характеристиками, так как не учитывает целого ряда физических процессов, происходящих в полупроводниках. К таким процессам относятся: генерация и рекомбинация носителей в запирающем слое, поверхностные утечки тока, падение напряжения на сопротивлении нейтральных областей, явления теплового, лавинного и туннельного пробоев.

Реальная вольт-амперная характеристика диода имеет прямую и обратную ветви.

Процессы генерации и рекомбинации носителей в запирающем слое для некоторых типов полупроводников (кремний) могут оказывать существенное влияние на вид ВАХ.