Тема 1.1. Физические основы полупроводниковых приборов

Полупроводниками называются материалы, занимающие промежуточное

положение между проводниками и диэлектриками. На их электропроводность большое влияние оказывают внешние факторы (температура, электрическое поле, освещенность, сжатие и т.д.) и внутренние факторы (наличие примесей). В электронике в качестве полупроводниковых материалов наиболее широко применяются кремний (Si), германий (Ge), арсенид галлия (GaAs).

Электропроводность полупроводника при отсутствии в нем примеси называется собственной электропроводностью полупроводника. Германий принадлежит в четвертой группе периодической системы Менделеева. Это значит, что атом германия имеет на внешней орбите четыре валентных электрона. Каждый атом германия образует парноэлектронные (ковалентные) связи с четырьмя соседними атомами. При температуре, близкой к абсолютному нулю, и отсутствии примесей все валентные электроны в кристалле взаимно связаны, свободные электроны отсутствуют, следовательно, кристалл не обладает проводимостью. При сообщении кристаллу энергии извне (повышение температуры, облучение и т.д.) увеличивается энергия части электронов, что приводит к разрушению ковалентных связей и появлению свободных электронов. В момент образования свободного электрона в ковалентных связях образуется вакантное место, которое может занять какой-либо из электронов соседней связи. Это вакантное место называется дыркой и имеет условный положительный заряд. При разрушении ковалентных связей в кристалле одновременно возникает одинаковое количество свободных электронов и дырок.

       Возникновение свободных электронов и дырок при разрыве ковалентных связей под действием теплового движения атомов кристаллической решетки называется тепловой генерацией носителей заряда.

       Одновременно с генерацией происходит рекомбинация свободных носителей заряда, т.е. объединение пары свободных носителей (электрона и дырки) с восстановлением ковалентной связи.

       Свойства полупроводника можно изменить, внеся в него примесь. В качестве примесей, регулирующих электропроводность полупроводника, используются элементы пятой группы (мышьяк, фосфор, сурьма), которые являются донорами для германия и кремния, и элементы третьей группы (индий, бор, галлий), которые являются акцепторами для германия и кремния.

       На рис.2.1.1,а изображена кристаллическая решетка германия с внедренным в нее атомом донорной примеси (мышьяк). Атом мышьяка имеет пять валентных электронов. Четыре из них создают ковалентные связи с четырьмя соседними атомами германия, а пятый становится лишним. Связь его с ядром сильно уменьшается, и он легко становится свободным. В полупроводнике с донорной примесью количество свободных электронов значительно больше количества дырок, образованных в результате тепловой генерации. Поэтому электроны являются основными носителями заряда, а дырки неосновными. Кристалл полупроводника с донорной примесью называется кристаллом с электронной проводимостью или кристаллом n -типа (от negative – отрицательный).

       На рис.2.1.1,б показана кристаллическая решетка германия с внедренным в нее атомом акцепторной примеси (индий). Атом индия имеет три валентных электрона, которые образуют ковалентные связи с тремя соседними атомами германия. Четвертая связь остается незаполненной, поэтому здесь можно говорить об образовании дырки. В полупроводнике с акцепторной примесью количество дырок значительно больше количества свободных электронов, образованных в результате тепловой генерации. Поэтому дырки являются основными носителями заряда, а электроны неосновными. Кристалл полупроводника с акцепторной примесью называется кристаллом с дырочной проводимостью или кристаллом p -типа (от positive – положительный).

Электронно-дырочный переход

       Рассмотрим неоднородный полупроводник, одна часть которого имеет электронную электропроводность, а другая – дырочную. При этом речь идет не о простом контакте двух различных полупроводников, а о едином монокристалле, у которого одна область легирована акцепторной примесью, а другая – донорной. Между электронной и дырочной областями рассматриваемой полупроводниковой структуры всегда существует тонкий переходный слой, обладающий особыми свойствами. Этот слой называется электронно-дырочным или p-n-переходом.

Электронно-дырочный переход является основным структурным элементом большинства полупроводниковых приборов, его свойствами определяется принцип действия и функциональные возможности этих приборов.

Вследствие большой концентрации электронов в n-области и дырок в p-области происходит диффузия основных носителей заряда через границу p-n перехода. В тонком приграничном слое полупроводника n - типа возникает положительный объемный заряд, а в слое полупроводника p-типа – объемный отрицательный заряд. Между разноименно заряженными слоями возникает разность потенциалов (потенциальный барьер) и образуется электрическое поле напряженностью E_пер., которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда через границу.

Если подать на p-область положительный потенциал, а на n-область отрицательный, получим внешнее электрическое поле, направленное навстречу внутреннему полю p-n перехода. Под действием этого поля уменьшится потенциальный барьер и сопротивление внутри p-n перехода. При этом в цепи перехода установится ток, обусловленный движением основных носителей заряда, который будет значительным даже при относительно небольшом напряжении источника питания. Такой ток называется прямым током, а включение p-n перехода соответственно прямым включением.

Если подать на p-область отрицательный потенциал, а на n-область положительный, получим внешнее электрическое поле, направленное в ту же сторону, что и внутреннее поле p-n перехода. Под действием этого поля потенциальный барьер и сопротивление внутри p-n перехода возрастут. При этом в цепи перехода установится ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, который будет очень мал, и в ряде практических случаев может считаться равным нулю. Такой ток называется обратным током, а включение p-n перехода соответственно обратным включением.

Исходя их вышесказанного, можно сказать, что p-n переход обладает явно выраженной односторонней проводимостью, то есть обладает вентильными (выпрямляющими) свойствами.

Вентильные свойства p-n перехода отображаются его вольт-амперной характеристикой (зависимостью тока через p-n переход от приложенного к нему напряжения) (рис.2.1.2). Зависимость прямого тока от прямого напряжения называется прямой ветвью вольт-амперной характеристики, зависимость обратного тока от обратного напряжения – обратной ветвью.

  На прямой ветви видно, что зависимость тока от напряжения вначале имеет нелинейный характер. Это происходит до тех пор, пока внешнее поле полностью не скомпенсирует внутреннее поле p-n перехода. Далее зависимость прямого тока от напряжения становится практически линейной. Обратная ветвь показывает, что при приложении обратного напряжения ток очень мал и довольно быстро перестает возрастать, несмотря на увеличение обратного напряжения. Это обусловлено малым количеством неосновных носителей заряда. При достижении обратным напряжением некоторого критического значения происходит резкое возрастание обратного тока. Напряжение при этом остается неизменным. Этот режим называется пробоем p-n перехода. Различается два вида пробоя: электрический и тепловой. Электрический пробой возникает под действием ударной ионизации атомов и туннельного эффекта. Ударная ионизация заключается в том, что под действием сильного электрического поля электроны приобретают энергию, достаточную для отрыва других электронов при столкновении с атомами кристалла. При этом происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда и ток возрастает. Туннельный эффект выражается тем, что электрон преодолевает потенциальный барьер без потери энергии. При увеличении обратного напряжения вероятность таких переходов возрастает и ток увеличивается. Электрический пробойне опасен для p-n перехода.При отключении источника обратного напряжения его свойства восстанавливаются. Тепловой пробой происходит при недостаточном охлаждении кристалла. Повышение температуры приводит к тепловой генерации носителей заряда, ток возрастает, что приводит к дельнейшему увеличению температуры. При этом кристалл разрушается. Для уменьшения вероятности теплового пробоя приборы снабжаются устройствами, улучшающими теплоотдачу.