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 σn и дырочной электропроводности σp:
σi = σn + σp,
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 ЕД и ЕА (рисунок 3.2).
Энергия, необходимая для перехода электрона с дополнительного уровня Ед в зону проводимости или из валентной зоны на дополнительный уровень ЕА, 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 ЕД = 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 ΔЕА = 0,046 эВ (в случае бора в кремнии), т.е. электрон из валентной зоны переходит на уровень ΔЕА (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 ЕД =0,3 эВ и акцепторный ЕА = 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.
