Собственная и примесная электропроводность полупроводников

Собственная электропроводность ПП возникает за счет разрыва собственных ковалентных связей. Ковалентная связь достаточно проч­ная и, чтобы ее разрушить, то есть освободить электрон, требуется энергия, не меньшая ширины запрещенной зоны Δ Е. Оторвавшийся от атома Si электрон под действием внешнего электрического поля становится электроном проводимости, а на его месте появляется по­ложительно заряженная незаполненная связь с зарядом, равным заря­ду электрона. Эта электронная вакансия в кристалле ПП, фиктивная частица с массой электрона и единичным положительным зарядом, наз­вана дыркой проводимости, так как дырку стремится заполнить элект­рон соседнего атома, и перемещение такого электрона условно счита­ется движением дырки (рисунок 3.1, а).

Рисунок 3.1

Наглядно движение дырок в кристалле ПП можно представить себе на примере кинозала, в котором все места, кроме одного, заняты. Если сидящий на соседнем месте пересядет на свободное кресло, ос­тавив свое пустым, которое займет его ближайший сосед, то, сосре­доточив свое внимание лишь на свободном месте, легко видеть, что оно будет перемещаться по кинозалу. Движение дырки подобно движе­нию пустого места.

Процесс появления сразу двух носителей заряда свободного элек­трона и дырки при разрыве одной ковалентной связи называется ге­нерацией электронно-дырочных пар.

Одновременно с генерацией электронно-дырочных пар в ПП происходит и обратный процесс: электроны переходят из зоны проводимос­ти в валентную зону, заполняя дырку и выделяя энергию ΔЕ. Этот процесс назван рекомбинацией носителей заряда.

ПП, в котором в результате разрыва ковалентных связей образу­ется равное количество свободных электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне) называется собственным ПП.

Обычно бес­примесный, химически чистый ПП является собственным.

Собственная электропроводность такого ПП складывается из электронной σ_n и дырочной электропроводности σ_p:

σ_i = σ_n + σ_p,

где индексы p – positive (положительный);

n – negative (отрицательный).

Рисунок 3.2

На практике в ПП материалах используется примесная электропроводность, которой легче управлять. Примесная электропроводность характерна для примесных ПП, свойства которых эависят от типа и количества введенной примеси. В примесных ПП появляются дополни­тельные энергетические уровни в запрещенной зоне, которые соответствуют энергиям ионизации атомов примеси Е_Д и Е_А (рисунок 3.2).

Энергия, необходимая для перехода электрона с дополнительного уровня Ед в зону проводимости или из валентной зоны на дополнительный уровень Е_А, оказывается гораздо меньше ширины запрещенной зона ΔЕ. В результате этих переходов появляется один носи­тель заряда; электрон проводимости в первом случае и дырка - во втором случае. Таким образом, примесная электропроводность возникает за счет ионизации атомов примесей и обусловливается одним типом носителя заряда: или только электронами в электронном ПП (n-тип проводимости), или только дырками в дырочном ПП (р-тип проводимости) (рисунок 3.1, б, в). В ПП n -типа проводимости концентрация электронов больше, чем дырок, и электроны являются основ­ными носителями заряда, а дырки - неосновными. В ПП р-типа проводимости - наоборот.

Свободные носителя заряда в ПП, появившиеся и результате теплового возбуждения, называют тепловыми или равновесными, а допол­нительные носители заряда, появившиеся за счет света, электричес­кого поля, облучения и т.д.» называют неравновесными.

 

Примеси в полупроводниках

Примесь в ПП может замещать собственный атом в узле кристаллической решетки и характер электропроводности, которую эта примесь вызовет, определяется ее валентностью. Атомы примесей с большей валентностью (относительно валентности простого ПП) поставляют дополнительные свободные электроны и являются донорами, а атомы примесей с меньшей валентностью принимают электроны из валентной зоны, образуя дополнительные дырки, являются акцепторами. Рассмот­рим механизм образования носителей заряда в примесных ПП.

Пусть атом кремния (элемента 1У группы таблицы Менделеева) в кристаллической решетке замещен атомом фосфора (элемента У группы) (рисунок 3.1, б). Четыре из пяти валентных электронов фосфора будут участвовать в образовании ковалентных связей с 4-мя ближайшими атомами кремния, а пятый электрон будет связан только со своим атомом. Прочность такой связи намного меньше прочности ковалент­ной связи, т.е. энергия ионизации примеси Е_Д = 0,044 эВ, необхо­димая для отрыва этого электрона, гораздо меньше ширины запрещен­ной зоны Si ΔЕ = 1,12 эВ. Следовательно, достаточно очень небольшой дополнительной энергии, чтобы этот пятый электрон на внешней орбите атома фосфора оторвался от него и стал электроном проводи­мости. Образовавшийся положительный ион фосфора остается, неподвижным в узле решетки, носителями заряда становятся пятые вален­тные электроны фосфора. Таким образом, пятивалентный фосфор яв­ляется донорной примесью в четырехвалентном кремнии.

Теперь рассмотрим случай замещения атомов кремния атомами трехвалентного элемента (элемента Ш группы таблицы Менделеева), например, бора. Все три его валентных электрона участвуют в образовании ковалентных связей с атомами кремния, но одна связь остается незавершенной, т.е. появляется дырка. Заполнить это вакан­тное место (дырку) сможет электрон соседнего атома кремния, для чего потребуется очень малая энергия ΔЕ_А = 0,046 эВ (в случае бора в кремнии), т.е. электрон из валентной зоны переходит на уровень ΔЕ_А (рисунок 3.2), оставляя вакансию-дырку. Образовавшийся отрицательный ион бора остается в узле кристалла неподвижным, а дырка перемещается по связям атомов кремния и обеспечивает его проводимость. Примесь, захватывающая электроны, называется акцеп­торной.

Существуют также примеси, не оказывающие влияния на электропроводность ПП. Их называют нейтральными. Например, для Si это элементы 1У группы таблицы Менделеева: олово, свинец, германий, инертные газы, водород, азот.

Некоторые примеси могут не только замещать атомы ПП в узлах кристаллической решетки, но и внедряться в междоузлие, Они могут играть роль и доноров, и акцепторов, их энергетические уровни обычно лежат далеко от дна зоны проводимости и от потолка валент­ной зоны и называются глубокими, а примеси - амфотерными. Напри­мер, золото в запрещенной зоне Si имеет донорный уровень Е_Д =0,3 эВ и акцепторный Е_А = 0,39 эВ. Эти уровни еще называют рекомбинационными ловушками.

Одним из критериев выбора элемента-примеси является предел растворимости. Высокий предел растворимости необходим для сильно­го легирования, например, при создании эмиттерных областей транзистора, кроме того, нужно учитывать коэффициент диффузии примеси. Если уже в кристалле созданы области транзистора, например, база, то коэффициент диффузии примеси для создания следующей эмиттерной области транзистора должен быть небольшим, чтобы не произошло смещения границы областей. Примесь также не должна вно­сить существенные искажения в решетке ПП кристалла, поэтому ее ионный радиус должен быть близким к ковалентному радиусу атома ПП. Относительные размеры ионов различных элементов даны в ангстремах (I Å = 10^-10 м) на рисунке 3.3.

 

В 0,88	С 0,77	N 0,70	0,66
Al 1,26	Si 1,17	Р 1,10	S 1,04
Ga 1,26	Ge 1,17	As 1,18	Se 1,14
1п 1,44	Sn 1,40	Sb 1,36	Те 1,32

Рисунок 3.3

В кристалле кремния наибольшие дефекты в кристаллической решет­ке будет вносить донор - сурьма Sb, а наименьшие - мышьяк As.