Образование носителей заряда в собственных полупроводниках

Рассмотрим особенности образования носителей заряда в полупроводниках на примере германия и кремния, получивших наиболее широкое распространение при изготовлении полупроводниковых приборов.

Германий и кремний принадлежат к 4 группе таблицы Менделеева. На внешней оболочке их атома находится 4 валентных электрона. Ширина запрещенной зоны германия- 0,72 эВ, кремния-1,12 эВ. Кристаллическая решетка этих элементов имеет одинаковую тетраэдрическую структуру. Рассмотрим плоскую модель кристаллической решетки на примере германия (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6

В отсутствии структурных дефектов и при , четыре валентных электрона каждого атома участвуют в парноэлектронных (ковалентных) связях с соседними атомами. Эти связи характеризуются перекрытием внешней электронной оболочки каждого атома с внешними электронными оболочками рядом расположенных атомов кристалла. При таком перекрытии каждые два электрона принадлежат двум соседним атомам и все четыре электрона атома участвуют в сохранении ковалентной связи с четырьмя соседними атомами. Ковалентные связи показаны на рисунок 6 двумя параллельными линиями, связывающие соседние атомы кристаллической решетки. Участие всех электронов атомов кристалла в сохранении ковалентной связи между атомами свидетельствует о нахождении электронов на уровнях валентной зоны.

Повышение температуры кристалла вызывает увеличение энергии фотонов и, когда энергия фотона достаточна для освобождения электрона от связей с атомом кристаллической решетки, он становится свободным. Освобождение электрона от связей с атомами соответствует на энергетической диаграмме его переходу с уровня валентной зоны на уровень зоны проводимости .

Образование свободного электрона сопровождается разрывом ковалентной связи между атомами и появлением в месте разрыва “дырки”. Отсутствие электрона в ковалентной связи равносильно появлению в данном месте положительного заряда, который приписывают дырке. На энергетической диаграмме, образование дырки после перехода электрона в зону проводимости, отождествляется с появлением вакантного уровня энергии в валентной зоне, что позволяет электронам валентной зоны изменять энергию под воздействием электрического поля и перемещаться в кристалле от атома к атому, т. е. участвовать в создании тока. Действительно валентный электрон, получив необходимую энергию, заполняет (компенсирует) дырку в той ковалентной связи, откуда ушел электрон. Исчезновение дырки в одном месте кристалла и появление её в другом учитывают условно, как движение дырки.

При температуре выше абсолютного нуля переход из валентной зоны в зону проводимости возможен у многих электронов. В результате этого процесса, получившее название термогенерации носителей заряда, в полупроводнике создаётся некоторая концентрация электронов в свободной зоне и равная ей концентрация дырок в валентной зоне. Эта концентрация называется собственной концентрацией носителей заряда. Она зависит от температуры кристалла и ширины запрещенной зоны.

 Электроны и дырки являются подвижными частицами. Постоянство их концентрации при определённой температуре вызвано тем, что в любом элементе объема полупроводника действуют одновременно два процесса: термогенерации носителей заряда и исчезновение электронов и дырок за счёт возвращения электронов из зоны проводимости на валентные уровни валентной зоны - рекомбинации носителей заряда.

1.1.2. Образование носителей заряда в примесных полупроводниках

При производстве полупроводниковых приборов помимо чистых полупроводников используют примесные полупроводники. Введение примеси позволяет создать в полупроводнике преимущественно электронную или дырочную проводимость. В связи с этим различают электронные (n-типа) и дырочные (p-типа) полупроводники.

Для получения полупроводника n-типа в чистый полупроводник вводят примесь, создающую только свободные электроны. Вводимая примесь называется донорной. Для германия и кремния, относящихся к IV группе таблицы Менделеева донорной примесью служит элементы V группы (фосфор, мышьяк), атомы которых имеют пять валентных электронов.

              Рисунок 1.7                                           Рисунок 1.8

При внесении такой примеси, атомы примеси замещают атомы исходного полупроводниках в отдельных узлах кристаллической решетки (рисунок 1.7). Четыре электрона атома донорной примеси участвуют в ковалентной связи с соседними атомами исходного материала, а пятый нет. Он оказывается значительнее слабее связанным со своим атомом и для того чтобы его оторвать от атома и превратить в свободный носитель заряда требуется значительно меньше энергии, чем освободить электрон от ковалентной связи. В результате избыточный электрон покидает атом и становится свободным при комнатной температуре. На энергетической диаграмме (рисунок 1.8) вводимая примесь приводит к появлению в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости локальных валентных уровней энергии, заполненных электронами при температуре абсолютного нуля. Число локальных уровней определяется количеством атомов примесей в кристалле.

Ширина   и поэтому при комнатной температуре все электроны донорных уровней перейдут в зону проводимости и могут участвовать в создании тока. Поэтому концентрация электронов в полупроводнике n-типа значительно выше концентрации дырок, образующихся в результате перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом электроны являются основными носителями заряда, а дырки неосновными носителями заряда.

В полупроводниках p-типа введение примеси направлено на повышение концентрации дырок. В качестве примесей используются элементы 3группы таблицы Менделеева (индий, галлий, алюминий, бор).

      Рисунок 1.9                             Рисунок 1.10

Каждый атом примесей образует только три заполненные ковалентные связи с соседними атомами исходного полупроводника в кристаллической решетке (рисунок 1.9). Четвертая связь остается незаполненной. Недостающий валентный электрон для заполнения связи принимается от одного из соседних атомов кристаллической решетки, т.к. требуемая для такого перехода энергия невелика. Переход электрона приводит к образованию дырки в ковалентной связи соседнего атома, откуда ушел электрон, и превращению атома примеси в неподвижный отрицательный ион. В результате за счет примеси достигается повышение концентрации дырок в полупроводнике. Атомы примеси, принимающие валентные электроны соседних атомов, называются акцепторами, а сама примесь - акцепторной.

При наличии акцепторной примеси в запрещенной зоне энергетической диаграммы (рисунок 1.10) полупроводника вблизи валентной зоны появляются локальные уровни энергии, свободные от электронов при температуре абсолютного нуля. Число локальных уровней определяется концентрацией атомов примеси в кристалле   и поэтому при комнатной температуре все акцепторные уровни будут заняты электронами пришедшими из валентной зоны. В валентной зоне появится большая концентрация дырок. Поэтому концентрация дырок в полупроводнике p-типа значительно больше концентрации свободных электронов. Дырки являются в этом случае основными носителями заряда, а электроны - неосновными носителями заряда.

Необходимая примесь вносится в таком количестве, чтобы концентрация основных носителей заряда на два - три порядка превышала концентрацию неосновных носителей заряда.