Электрические свойства полупроводников

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов, носителями тока являются дырки; возникает дырочная проводимость (проводимость p−типа). Полупроводники с такой проводимостью называются дырочными (или полупроводниками p−типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей — акцепторными уровнями.

В отличие от собственной проводимости, осуществляющейся одновременно электронами и дырками, примесная проводимость полупроводников обусловлена в основном носителями одного знака: электронами — в случае донорной примеси, дырками — в случае акцепторной. Эти носители тока называются основными. Кроме основных носителей в полупроводнике имеются и неосновные носители: в полупроводниках n-типа — дырки, в полупроводниках p−типа — электроны.

Наличие примесных уровней в полупроводниках существенно изменяет положение уровня Ферми E . Расчеты показывают, что в случае полупроводников n−типа уровень Ферми E при Т = 0 К расположен посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем (рис. 8).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           (рис. 8)                                    (рис. 9)                               (рис. 10)

 

С повышением температуры все большее число электронов переходит из донорных состояний в зону проводимости, но, помимо этого, возрастает и число тепловых флуктуаций, способных возбуждать электроны из валентной зоны и перебрасывать их через запрещенную зону энергии. Поэтому при высоких температурах уровень Ферми имеет тенденцию смещаться вниз (сплошная кривая) к своему предельному положению в центре запрещенной зоны, характерному для собственного полупроводника.

Уровень Ферми в полупроводниках p−типа при T=0 К E располагается посередине    между    потолком    валентной  зоны и акцепторным уровнем

(рис. 9). Сплошная   кривая    опять-таки   показывает   его   смещение с температурой. При температурах, при которых примесные атомы оказываются полностью истощенными и увеличение концентрации носителей происходит за счет возбуждения собственных носителей, уровень Ферми располагается посередине запрещенной зоны, как в собственном полупроводнике.

Проводимость примесного полупроводника, как и проводимость любого проводника, определяется концентрацией носителей и их подвижностью. С изменением температуры подвижность носителей меняется по сравнительно слабому степенному закону, а концентрация носителей — по очень сильному экспоненциальному закону, поэтому проводимость примесных полупроводников от температуры определяется в основном температурной зависимостью концентрации носителей тока в нем. На рисунке 10 дан примерный график зависимости от для примесных полупроводников.    Участок   АВ описывает примесную проводимость полупроводника. Рост

примесной проводимости полупроводника с увеличением температуры обусловлен в основном повышением концентрации примесных носителей. Участок ВС соответствует области истощения примесей (это подтверждают и эксперименты), участок CD описывает собственную проводимость полупроводника.

 

 

 

Глава 2. Полупроводниковые приборы и их применение.

 

§ 1. Диод.

 

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из который имеет электронную, а другой — дырочную проводимость, называется электронно−дырочным переходом (или p−n−переходом). Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов. p−n−Переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной проводимости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Например, на кристалл германия n−типа накладывается индиевая «таблетка» (рис. 11, а). Эта система нагревается примерно при 500 °C в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий. Затем расплав медленно охлаждают. Так как германий (Ge), содержащий индий (In), обладает дырочной проводимостью, то на границе закристаллизовавшегося расплава и германия n-типа образуется p−n−переход (рис. 11, б).

 

 

 

 

 

 

 

    (рис. 11)

Рассмотрим физические процессы, происходящие в p-n-переходе (рис. 12). Пусть донорный полупроводник (работа выхода — А , уровень Ферми — E ) приводится в контакт (рис. 12, б) с акцепторным полупроводником (работа выхода — А , уровень Ферми — E ). Электроны из n−полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в p−полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении — в направлении p → n.

В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донорных атомов. В p−полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов (рис. 12, а). Эти  объемные заряды  образуют  у                

границы двойной электрический слой, поле которого, направленное от n−области к p−области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении n → p и дырок в направлении p → n. Если концентрация доноров и акцепторов в полупроводниках n− и p−типа одинаковы, то толщины слоев d и d (рис.12, в), в которых локализуются неподвижные заряды, равны (d =d ).

При определенной толщине p−n−перехода наступает равновесное состояние, характеризуемое выравниванием уровней Ферми для обоих полупроводников (рис. 12, в). В области p−n−перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок. Высота потенциального барьера eφ определяется первоначальной разностью положений уровня Ферми в обоих полупроводниках. Все энергетические уровни акцепторного полупроводника подняты относительно уровней донорного полупроводника на высоту, равную eφ, причем подъем происходит на толщине двойного слоя d.

              (рис. 12)                     Толщина     d     слоя     p−n−перехода     в полупроводниках составляет примерно 10 — 10 м, а контактная разность потенциалов — десятые доли вольт. Носители тока способны преодолеть такую разность потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов, т. е. при обычных температурах равновесный контактный слой является запирающим (характеризуется повышенным сопротивлением).

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к p−n−переходу внешнее электрическое поле направлено от n−полупроводника к p-полупроводнику (рис. 13, а), т. е. совпадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n−полупроводнике и дырок в p−полупроводнике от границы p−n−перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет.

Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток через p−n−переход практически не проходит. Ток в запирающем слое в запирающем направлении образуется лишь за счет неосновных носителей тока (электронов в p-полупроводнике и дырок в n−полупроводнике).

Если приложенное к p−n−переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 13, б), то оно вызывает движение электронов в n−полупроводнике и дырок в p-полупроводнике к границе p−n−перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются. Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит сквозь p-n-переход в направлении от p−полупроводника к n-полупроводнику; оно называется пропускным (прямым).

Таким образом, p−n−переход (подобно на контакте   металл — полупроводник)    обладает

             (рис. 13)                     односторонней (вентильной) проводимостью.

На рисунке 14 представлена вольт−амперная характеристика p−n−перехода. Как уже указывалось, при пропускном (прямом) напряжении внешнее электрическое поле способствует движению основных носителей тока к   границе   p−n−перехода   (см. рис 13, б).    В    результате    толщина

контактного слоя уменьшается. Соответственно уменьшается и сопротивление перехода (тем сильнее, чем больше напряжение), а сила тока становится большой (правая ветвь на рис. 14). Это направление тока называется прямым.

При запирающем (обратном) напряжении внешнее электрическое поле препятствует движению основных носителей тока к границе p-n-перехода (см. рис. 13, а) и способствует движению неосновных носителей тока, концентрация

             (рис. 14)                которых  в   полупроводниках  невелика. Это приводит к увеличению толщины контактного слоя, обедненного основными носителями тока. Соответственно увеличивается и сопротивление перехода. Поэтому в данном случае через p−n−переход протекает только небольшой ток (он называется обратным), полностью обусловленный неосновными носителями тока (левая ветвь рис. 14). Быстрое возрастание этого тока означает пробой контактного слоя и его разрушение. При включении в цепь переменного тока p-n-переходы действуют как выпрямители.

На этом принципе односторонней проводимости контактов двух полупроводников основана работа приборов для выпрямления и преобразования переменных токов.

Полупроводниковые диоды изготавливают из германия, кремния, селена и других веществ.

p−n−Переход не удается получить путем механического соединения двух полупроводников с различными типами проводимости, так как при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Толщина же p−n−перехода не должна превышать межатомные расстояния. Поэтому в одну из поверхностей германиевого образца вплавляют индий.

Вследствие диффузии атомов индия в глубь монокристалла германия у поверхности германия образуется область с проводимостью р−типа. Остальная часть образца германия, в которую атомы индия не проникли, попрежнему имеет проводимость n−типа. Между двумя областями с проводимостями разных типов и возникает n-p-переход (рис. 15, а). В    полупроводниковом    диоде

            (рис. 15)                   германий           служит         катодом ,а индий − анодом.

Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический металлический корпус. Схематическое изображение диода приведено на рисунке 15, б. Полупроводниковые диоды являются основными элементами выпрямителей переменного тока. При включении диода в цепь переменного тока (рис. 16, а) ток на нагрузочном сопротивлении R будет практически постоянным по направлению. На протяжении половины периода, когда потенциал полупроводника р−типа положителен, ток свободно проходит через p−n−переход. В следующую половину периода ток практически равен нулю (рис. 16, б).

 

 

 

 

 

 

 

                                                     (рис. 16)

Можно осуществить и двухполупериодное выпрямление переменного тока (рис. 16, в, г). Полупроводниковые выпрямители надежны и долговечны, имеют высокую механическую прочность и КПД, но зато могут работать лишь в ограниченном интервале температур (от 203 до 398 К).

Полупроводниковые выпрямители при тех же значениях выпрямленного тока более миниатюрны, чем электронные лампы. Вследствие этого радиоустройства, собранные на полупроводниках, компактнее.

Отмеченные преимущества полупроводниковых элементов особенно существенны при использовании их в искусственных спутниках Земли, космических кораблях, электронно-вычислительных машинах.

 

                                      

§2. Фотодиод.

 

     Полупроводниковый фотодиод — это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности.

     Обычно в качестве фотодиодов используют полупроводниковые диоды с p-n-переходом, смещенным в обратном направлении внешним источником питания. При поглощении квантов света в p-n-переходе или в прилегающих к нему областях кристалла полупроводника образуются новые носители заряда (пары электрон-дырка).

 

 

 

 

 

 

 

 

                            (рис. 17)                                            (рис. 18)

Неосновные носители, возникшие в прилегающих к p-n-переходу областях на расстоянии, не превышающем диффузионной длины, диффундируют к p-n-переходу и проходят через него под действием электрического поля или, с точки зрения энергетической диаграммы, скатываются с потенциального барьера (рис. 17). Поэтому обратный ток через фотодиод возрастает при освещении. К аналогичному результату приводит поглощение квантов света непосредственно в p−n−переходе. В результате при освещении фотодиода обратный ток через него возрастает на величину, называемую фототоком (рис. 18).

     В рабочем диапазоне  обратных напряжений при освещении  фотодиода обратные токи практически  не зависят от приложенного напряжения, хотя обратная ветвь вольт−амперной характеристики фотодиода в затемненном состоянии может не иметь участка насыщения тока.

     В конструкции фотодиода, естественно, должна быть предусмотрена необходимость освещения кристалла полупроводника с одновременной защитой этого кристалла от других внешних воздействий (рис. 19).

     Световая характеристика фотодиода, т. е. зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. Связано это с тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. Поэтому практически все неосновные носители, возникшие в базе в результате световой генерации, доходят до p−n−перехода и принимают участие в образовании фототока. Во всяком случае потери неосновных носителей заряда в базе и на поверхности базы практически не зависят от освещенности, так исходный полупроводник с одержит малое  количество