8.1 Teoria conductivității electrice a semiconductorilor
Electronii în atomi izolați nu pot avea decât valori strict definite ale energiei sau, după cum se spune, numai la anumite niveluri de energie (permise). La același nivel de energie, pot fi localizate simultan maximum doi electroni (Fig. 98.1), care diferă în momentele magnetice (principiul Pauli).
O astfel de tranziție se numește excitarea unui electron și un atom cu un astfel de electron se numește excitat. După aceasta, electronul excitat fie părăsește atomul, ceea ce duce la ionizarea celui din urmă, fie cade la un nivel inferior de energie neocupat, cu eliberarea unui cuantum de energie sub forma radiației electromagnetice.
Fig.8.1. Schema schematică a atomului
Atomii oricărei substanțe sunt neutri din punct de vedere electric. Dacă aplicăm un câmp electric la un volum în care sunt localizate numai particule neutre, atunci un curent electric nu va curge. De exemplu, aerul - nu trece printr-un curent electric și este un izolator. Același izolator va fi un volum umplut cu un gaz de atomi neutri de argint și cupru, aur și mercur sau alte substanțe care sunt conductori în stare solidă.
Mai mult, în funcție de rețeaua cristalină a unui corp solid în care s-au unit atomi din aceeași substanță, aceștia pot forma un conductor sau un izolator, de exemplu, carbon grafit sau diamant.
Astfel, conductivitatea electrică a unei substanțe depinde de tipul de legături care unesc atomii săi în rețeaua cristalină a unui solid.
Când se formează solidul, se observă și principiul Pauli. Prin urmare, nivelele energetice rezolvate ale atomilor în cristalizarea lor se împart, formând un număr mare de subsoluri, care se deosebesc unele de altele de valori foarte mici ale energiei. Electronii aparținând unor atomi învecinați și care formează legături între ei aparțin diferitelor subsoluri, numărul cărora este egal cu numărul de atomi interacțioși învecinați. Sublevelurile formează zone energetice.
Conductivitatea electrică există dacă electronii pot intra într-o zonă cu nivele de energie neocupate, numită zonă electronică liberă (ESW), o bandă de excitație sau conducție. Electronii, care asigură conectarea atomilor în rețeaua cristalină, formează o bandă de electroni de valență (ZVE). Această zonă este separată de banda de conducție de banda interzisă (ЗЗ), în care nu există electroni. Lățimea sa depinde de energia de legare DW. necesare pentru ruperea legăturilor electronice între atomii laturii cristaline și crearea unor suporturi de încărcare gratuite (Figura 8.2).
valoarea energetică DW măsurată în electron volți (eV) 1 eV este de 1,6 · 10 -19 J și energia dobândită de un electron atunci când se deplasează în câmp electric între două puncte cu o diferență de potențial de un volt.
Fig. 8.2. Structura benzilor energetice ale substanțelor solide
În metalele care sunt conductori, cu formarea unei rețele de cristal, fiecare atom pierde un electron de valență și se transformă într-un ion încărcat pozitiv. Electronii devin liberi, sunt socializați de întregul volum de metal și se pot mișca sub acțiunea unui câmp electric extern. Valoarea DW = 0. Aceasta explică conductivitatea electrică ridicată și conductivitatea termică a metalelor.
În izolatori, toți electronii de valență participă la formarea rețelei cristaline și practic nu există electroni liberi. Valoarea DW> 4 eV.
Conductivitatea electrică a bune conductoare si izolatoare diferă prin același factor (
10 22), ca mărimea galaxiei noastre și 1 centimetru.
Un cristal semiconductor constă din atomi, fiecare legat de atomii învecinați de legăturile electronice (covalente).
De exemplu, în rețeaua cristalină Si, fiecare atom interacționează cu cei patru vecini apropiați, iar opt atomi de valență se rotesc în jurul orbitelor închise (Figura 8.3).
Patru dintre aceștia aparțin acestui atom, restul împrumutat de la vecini de-a lungul laturii cristaline. Toți electronii petrec ceva timp în jurul atomului de care aparțin, iar cealaltă parte din atomii vecini. Ca rezultat, în medie, sarcina negativă a electronilor din jurul fiecărui atom este echivalentă cu o încărcătură de patru electroni, deci atomii sunt neutri din punct de vedere electric.
Fig.8.3 Structura cristalului
siliciu în plan
Valoarea DW pentru semiconductorii tipici se situează în intervalul de câteva zecimi de eV la 2 ± 3 eV.
Elementele celui de-al patrulea grup al sistemului periodic sunt utilizate în principal în dispozitivele semiconductoare: germaniu (Ge), siliciu (Si), seleniu (Se), etc.
Semiconductorii se numesc intrinseci în care concentrația purtătorilor liberi este determinată exclusiv de temperatura și valoarea intrinsecă a energiei de legare DW. Impuritățile și defectele rețelei cristaline sunt absente.
Energia mișcării termice haotice a particulelor care tind să rupă comunicațiile electronice dintre atomii semiconductori:
T este temperatura (K);
A - coeficientul de proporționalitate (cm -3).
Observăm proprietatea acestei dependențe exponențiale: o creștere a DW de 1,27 ori în tranziția de la siliciu la arsenid de galiu implică o scădere a probabilității de formare a unei perechi de electroni-gaură de aproximativ 100.000 de ori. Aceeași probabilitate va scădea prin același factor cu scăderea temperaturii, de exemplu siliciul de la 20 ° C la -78 ° C.
Procesul de aspect sub acțiunea energiei termice în fononii semiconductoare purtători de sarcină mobili (electroni și găuri) este termogeneratsiey purtători. Decurgând purtători de sarcină termică sunt supuse unei mișcare aleatorie a electronilor și epuizantă energia coliziunii cu atomii recombina (recuperare, lat.), Cu una dintre găurile (ia legătura covalentă întreruptă).
Conductivitatea electrică cauzată de semiconductori prin generarea termică a purtătoarelor de sarcină se numește conductivitate electrică intrinsecă.
Următoarele tipuri de curent electric se disting în semiconductori:
- coborârea curentului de sarcină într-un câmp electric (figura 8.5, a);
- curentul de difuzie este difuzia purtătorilor de sarcină spre concentrația lor mai mică (Figura 8.5, b).
Fig. 8.5 Tipuri de curent în semiconductor: deriva (a), difuzie (b).
8.2 Semiconductori de impurități
Semiconductori cu conductivitate electronică
Investigarea conductivității electrice a semiconductorilor și-a arătat dependența puternică de prezența chiar a unor impurități minore ale altor elemente chimice. Cu ajutorul impurităților se obțin caracteristicile necesare ale dispozitivelor semiconductoare.
Când atomii pentavalenți de impurități (fosforul P, antimoniul Sb, arsenicul AS etc.) sunt introduși în semiconductorul tetravalent, aceștia înlocuiesc atomii principali din rețeaua cristalină. Patru electroni de valență ai atomului de impuritate sunt conectați cu patru electroni de valență ai atomilor vecini ai semiconductorului principal. Cel de-al cincilea electron nu participă la crearea rețelei cristaline și este slab legat de atomul de impuritate. Sub acțiunea externă, acesta devine liber, iar atomul de impuritate este un ion încărcat pozitiv (figura 8.6, a). Impuritățile crescând numărul de electroni liberi sunt numiți donatori (donare.) - donați, donați).
Fig. 8.6 Reteaua cristalina a unui semiconductor cu conductivitate electronica (a)
și diagrama energiei benzii sale (b).
Impuritățile sunt selectate astfel încât nivelul lor de energie Wd să fie localizat în banda interzisă din apropierea părții inferioare a benzii de conducție a semiconductorului principal, deasupra nivelului lui Fermi WF. care este jumătate din valoarea DW (impurități mici, au o mică putere de legare). Prin urmare, chiar și un ușor impact extern al DWQ. numită energia de activare a impurității, conduce la apariția electronilor liberi (figura 8.6, b). De exemplu, pentru arsenul introdus în siliciu, DWQ = 0,05 eV. Numărul de electroni de impurități este determinat de formula:
unde: DWQ este energia de activare a impurităților (eV);
ND - concentrația impurității donatorilor;
B - coeficientul de proporționalitate (cm -3).
Cu cât este mai mare energia cinetică a unui electron, cu atât este mai mare pe diagrama energiei.
În semiconductori cu conductivitate electronică (sau tip n), electronii sunt principalele purtători de sarcină, găurile nu sunt principalele purtători de sarcină.
Apariția găurilor este asociată cu termogeneza. Cu toate acestea, concentrația acestora este mult mai mică decât în cazul semiconductorilor intrinseci datorită excesului de electroni, prin urmare, probabilitatea mare de întâlnire a găurilor și recombinarea cu ele.
În Fig. Figura 8.7 prezintă o curbă care reprezintă o dependență tipică a concentrației de electroni liberi într-un semiconductor asupra temperaturii.
Alegerea coordonatelor este legată de dorința de a obține o dependență grafică liniară pe baza expresiilor (1), (2). Tangentele versanților liniilor de pe grafic sunt proporționale cu DWQ și DW.
La temperaturi scăzute (partea dreaptă a graficului), concentrația de electroni din semiconductor este determinată de concentrația de impurități. Pe măsură ce crește temperatura, conductivitatea impurităților crește și în această regiune se determină prin formula (2). La o anumită temperatură, concentrația de electroni încetează să depindă de temperatură (regiunea de epuizare a impurităților).
Toți atomii de impurități sunt deja ionizați, iar concentrația intrinsecă de electroni este încă mult mai mică decât concentrația de impurități.
Fig. 8.7 Dependența logaritmului concentrației de electroni asupra temperaturii reciproce
La temperaturi mai ridicate, o creștere foarte accentuată a concentrației de electroni începe cu o creștere suplimentară a temperaturii. Aceasta este regiunea conductivității intrinsece, care este determinată de formula (1).
Pentru majoritatea dispozitivelor semiconductoare este utilizată o regiune de epuizare a impurităților, deoarece influența temperaturii, de exemplu, asupra caracteristicilor amplificatoarelor semiconductoare etc. Este nedorită și este căutată să o minimalizeze cât mai mult posibil. În plus, în regiunea conductivității intrinseci, parametrii acestor dispozitive, care sunt de obicei făcuți cu utilizarea impurităților, se modifică drastic.
Semiconductori cu conductivitate a găurilor
Dacă un element tetravalent cum ar fi atomii de siliciu intră elementul trivalent (galiu Ga, indiu In. Borul, etc.), atunci atomul de impuritate pentru formarea patru legături covalente cu atomii de siliciu îi lipsește un electron (Fig. 8.8 și ). Acest electron poate fi obținut din siliciu adiacent datorită atomului ruptură legătură covalentă, care necesită unele WA costul energiei (Fig. 9.8, b).
Fig. 8.8 Reticul de cristal al unui semiconductor cu conductivitate a găurii (a)
și diagrama energiei benzii sale (b).
O gaură este formată la locul legăturii rupte, iar electronul va fi ținut lângă atomul de impuritate, care devine un ion încărcat negativ. Pentru a elibera acest electron necesită o cantitate semnificativă de energie, mai mult decât WA. care îl pot traduce într-o zonă a electronilor liberi.
Impuritățile care cresc numărul găurilor libere se numesc acceptor (accept).
Impuritățile sunt selectate astfel încât nivelurile lor de energie WA să fie localizate în banda interzisă în apropierea plafonului benzii de valență a semiconductorului principal, sub nivelul lui Fermi (impurități mici). Prin urmare, chiar și o ușoară influență externă conduce la apariția găurilor libere.
Cu cât energia cinetică a unei găuri este mai mare, cu atât este mai mică pe diagrama energiei.
În semiconductori cu conductivitate a găurilor (sau tip p), găurile sunt principalele purtători de sarcină, electronii nu sunt purtători principali de încărcare.
Apariția electronilor este asociată cu termogeneza. Cu toate acestea, concentrația lor este mult mai mică decât în cazul semiconductorilor intrinseci datorită excesului de găuri, de aici probabilitatea ridicată de a se întâlni cu electronii și de recombinare.
Să subliniem din nou: electronii se mișcă de fapt în banda de electroni de valență. Nu există nicio "gaură" de particule. Nu poate fi extras dintr-un cristal și a studiat, de exemplu, comportamentul într-un vid.
8.3 Compensarea semiconductorilor prin impurități
Principala problemă în producerea de dispozitive semiconductoare este purificarea materiei prime din impurități, care este dificilă din punct de vedere tehnic și dificil. Adăugarea de impurități suplimentare necesare într-o anumită proporție face posibilă obținerea caracteristicilor necesare ale semiconductorului.
Un exemplu. În siliciu, arsenul și borul au fost introduse în concentrații strict identice (figura 8.9, a). Ce transportatori liberi vor apărea și în ce proporție?
Toți electronii de la nivelul donatorului WD se vor transfera la nivelul liber acceptabil inferior inițial WA. Acum, pentru a crea un electron liber într-un cristal, trebuie să cheltuiți energia WD-WA. aproape la fel de mare ca DW (Figura 8.9, a). Chiar mai multă energie trebuie folosită pentru a elibera nivelul acceptorului pentru a forma o gaură.
Astfel, în semiconductor nu există purtători de încărcătură de impurități și se comportă ca un semiconductor intrinsec.
Acest exemplu arată că, cu ajutorul unei impurități fine, este posibil să se compenseze o altă impuritate într-un semiconductor purificat incomplet, dar acest lucru necesită o dozare absolută exactă a impurităților, lucru greu de realizat.
Prin urmare, nu există nici o compensație completă, iar impuritatea predominantă determină tipul de conductivitate într-un semiconductor purificat incomplet.
Semiconductorii proprii sunt utilizați în electronică ca elemente cu rezistență ridicată. Pentru obținerea acestora dintr-un material cu impurități fine se introduce o impuritate profundă (WA ≈ DW / 2 sau WΔ ≈ DW / 2) cu o concentrație mai mare.
Adepții profunzi vor captura toți electronii creați de donatori mici și nu va fi ușor să le eliberați. Impuritatea adâncă nu formează găuri libere, deoarece energia de activare a găurii pentru astfel de acceptori este mare (Fig.8.9, b).
Atunci când se folosesc donori adânci, aceștia captează toate găurile datorită tranziției electronilor de impurități la nivelul energiei inferioare a acceptorului și nu formează electroni liberi, deoarece energia necesară pentru activarea lor este mare (figura 9.9, c).
Fig. 8.9 Diagrame de corectare a energiei zonei de tip
conductivitatea prin impurități fine (a), prin impurități adânci (b)
și formarea de "pași" de energie (c).
Un exemplu. Dacă înainte de introducerea unui amestec adânc de arsenură de galiu (GaAs) a fost de tip p, introduceți apoi oxigen, care în GaAs este un donator profund. Dacă GaAs inițial a fost de tip n, se introduce crom, care în GaAs este un acceptor adânc.
Rezultatul este un cristal GaAs cu caracteristici semiconductoare intrinseci și o rezistivitate de până la 10 7 Ω · cm.
Impuritățile adânci, care acționează ca trepte de energie, pot îndeplini funcția direct opusă: ajuta la crearea găurilor și a electronilor (fig.9.9, d).
De exemplu, poate fi realizată în două etape ale tranziției de electroni la banda de conducție, mai întâi la un nivel de impurități profund (WD = DW / 2) și numai apoi banda de conducție, cheltuind putin egale ca portiuni importante de energie.
Odată cu utilizarea pașilor de energie, procesul de generare a găurilor și a electronilor liberi va merge mult mai intens dacă se va furniza un câmp electric extern care va separa aceste suporturi de încărcare și le va împiedica să se recombine.
Acest efect este folosit în electronică pentru a crește dramatic densitatea curentului, de exemplu, în fotodiodele infraroșii.
De asemenea, impuritățile adiționale pot scurta durata de viață a electronilor liberi, acționând ca "ucigași". Ei capturează și țineți electronul până când se apropie o gaură, se produce recombinarea și din nou impuritatea este gata să-și îndeplinească funcția.
Această proprietate este folosită pentru a crea dispozitive semiconductoare de mare viteză.
Se folosesc și alte impurități. Acestea vor fi discutate în secțiunea privind bateriile solare.
Atunci când este necesară obținerea unei viteze mari de mișcare a electronilor liberi sau a duratei lor lungi de viață, semiconductorul trece printr-o purificare profundă.