Полупроводниковые диоды

Содержание

Полупроводниковые диоды

Некоторые положения и определения  электронной теории твердого тела

Работа полупроводниковых электронных  приборов и интегральных микросхем  основана на использовании процессов  и явлений, происходящих в твердом теле. Поэтому знание физических основ теории твердого тела необходимо для понимания принципов работы и параметров разнообразных электронных элементов.

Вокруг ядра атома любого вещества движутся по определенным замкнутым  траекториям (орбитам) отрицательно заряженные электроны. В нормальном состоянии ядро атома содержит число положительно заряженных протонов, количество которых равно числу внешних электронов и поэтому атом электрически нейтрален. Число электронов, вращающихся вокруг ядра, всегда равно порядковому номеру элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

В твердом веществе атомы занимают устойчивые положения, определяемые межатомными  связями. Обычно наиболее прочные связи возникают в веществе, имеющем кристаллическую структуру.

Вращающиеся в атоме электроны, которые расположены на внешних  орбитах, связаны с ядром слабее, чем электроны, находящиеся на внутренних, близких к ядру орбитах. Поэтому под действием соседних атомов или вследствие других причин внешние электроны могут покинуть свою орбиту, что повлечет за собой изменение электрического состояния атома. Электроны, освободившиеся от внутриатомных связей, получили название свободных электронов. Они перемещаются внутри вещества между атомами в различных направлениях и с различными скоростями. При наличии внешнего электрического поля беспорядочное движение свободных электронов становится упорядоченным, направленным. В результате возникает электрический ток. Чем больше свободных электронов имеет вещество, тем выше его электропроводность. Этим и объясняется хорошая проводимость металлов, а также деление твердых тел по способности их проводить электрический ток на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Каждой орбите соответствует строго определенная энергия электрона, или разрешенный энергетический уровень. Уровни энергии, которые не могут иметь электроны при переходе с одной орбиты на другую, называются запрещенными.

Количество электронов, находящихся  на каждой орбите, и количество орбит  для каждого вещества совершенно определенны. Электроны всегда стремятся занять уровни наименьшей энергии. Поэтому все внутренние электронные орбиты оказываются полностью заполненными. Частично заполненной может быть только внешняя орбита. Чем более удаленную от ядра орбиту занимает электрон, тем большую энергию он имеет. При переходах на орбиты, расположенные ближе к ядру, электрон отдает часть своей энергии в окружающую среду, вследствие чего его энергия уменьшается. Наоборот, если электрон в связи с воздействием тепла, света или каких-либо других внешних факторов приобретает дополнительную энергию, то он переходит на новую, более удаленную от ядра орбиту. Электрон, получивший дополнительную энергию, называется возбужденным. Предельным случаем возбуждения является отрыв электрона от ядра. Он покидает атом и становится свободным электроном. Теряя или приобретая электроны, нейтральный в электрическом отношении атом становится заряженным. Такой атом называется ионом. Процесс отрыва электронов от атома или присоединений к атому лишнего электрона, в результате которого образуется положительный или отрицательный ион, носит название ионизации атома.

В твердом теле (кристалле) в связи с воздействием соседних атомов друг на друга, энергетические уровни расщепляются, образуя энергетическую зону. В некоторых веществах при определенных условиях энергетические зоны могут быть разделены промежутком, не содержащим энергетических состояний. Такой энергетический промежуток принято называть запрещенной зоной. Она характеризуется шириной (DW), которая равна разности между нижним уровнем энергии зоны проводимости и верхним уровнем энергии валентной зоны. Запрещенная зона соответствуют таким значениям энергии, которыми электрон не может обладать. Уровни энергии, занятые электронами при температуре абсолютного нуля и отсутствии внешних воздействий, образуют в твердом теле так называемую нормальную, или валентную, зону. Разрешенные уровни энергии, которые остаются не занятыми при температуре абсолютного нуля, составляют в твердом теле свободную зону. Ее нижнюю часть называют зоной проводимости, поскольку уровни, входящие в нее, могут занимать свободные электроны, получившие дополнительную энергию при нагреве или другим путем и оторвавшиеся от атомов.

На рисунке 1.1, а схематически показаны энергетические зоны характеризующие полупроводник. По вертикальной оси этой диаграммы откладывается уровень энергии, которой обладают электроны. Горизонтальная ось – безразмерная, поэтому необходимо помнить, что понятие энергетический уровень или энергетическая зона характеризует только энергетическое состояние электрона, а не его геометрическое расположение в теле.

Рисунок 1.1. Энергетические зоны полупроводника: а – чистого, б – п-типа, в – р-типа

Шириной запрещенной зоны определяется электропроводность материала. Следовательно, проводимость того или иного вещества определяется той энергией, которую нужно сообщить валентным электронам, чтобы они могли перейти со своего нормального энергетического уровня на высший энергетический уровень, соответствующий зоне проводимости. При этом электроны теряют связь с ядром атома и становятся свободными и могут участвовать в формировании электрического тока при приложении внешнего источника напряжения.

Такая энергетическая модель твердых  тел позволяет объяснить физическую сущность разделения их на проводники, диэлектрики и полупроводники. У проводников зона проводимости и зона валентных электронов перекрывают друг друга, т.е. запрещенная зона отсутствует и валентные электроны легко переходят в зону проводимости. У диэлектриков ширина запрещенной зоны велика, и, следовательно, для перехода валентных электронов в зону проводимости им нужно сообщить значительную энергию (не менее 3 эВ). Для полупроводников запрещенная зона относительно невелика (примерно 0,5 – 3 эВ), и под действием внешних факторов (тепло, свет, электрическое поле и т.п.) электроны за счет получения дополнительной энергии могут перейти из нормальной зоны в зону проводимости.

К полупроводникам относится большое  количество веществ и элементов, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Формальным признаком принадлежности вещества к классу полупроводников является величина удельной электропроводности, которая для них может принимать значение в пределах ρ = 102...10-8 См/м (к проводникам относятся вещества с удельной электропроводностью ρ – 104... I08 См/м, к диэлектрикам – вещества, имеющие ρ < 10-12 См/м). Электропроводность полупроводников неустойчива и сильно зависит от внешних факторов и, прежде всего, от температуры.

Наиболее широкое применение в  полупроводниковой технике получили германий, кремний, селен, а также  полупроводниковые соединения типа арсенид галлия, карбид кремния, сульфид  кадмия и некоторые др.

Для полупроводников характерно кристаллическое строение, т.е. закономерное и упорядоченное расположение их атомов в пространстве. В кристаллах связанные между собой атомы располагаются строго определенным образом на одинаковых расстояниях друг от друга, в результате чего образуется своеобразная решетка из атомов, между которыми существуют связи. Они образуются внешними валентными электронами, которые взаимодействуют не только с ядром своего атома, но и с ядрами соседних атомов. Электроны связи принадлежат уже не одному, а сразу обоим, связанным между собой атомам, т.е. являются для них общими.

В кристаллах элементов четвертой  группы таблицы Менделеева (углерод, кремний, германий) связь между двумя соединениями атомами осуществляется двумя валентными электронами – по одному от каждого атома. Поэтому вокруг каждого ядра вращается восемь внешних электронов – четыре «свои» и четыре – от четырех соседних атомов кристаллической решетки. Внешняя орбита каждого из атомов имеет как бы по восемь электронов и становится полностью заполненной. В таком кристалле все валентные электроны прочно связаны между собой и при температуре абсолютного нуля (–273°С) свободных электронов, которые могли бы участвовать в переносе зарядов, нет. В этих условиях полупроводники обладают свойствами идеальных изоляторов. Такая связь между атомами называется двухэлектронной, или ковалентной. Схематически структура кристалла и ковалентные связи на примере кристаллической решетки кремния показаны на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2. Ковалентная связь атомов в полупроводниковом кристалле кремния: а – чистый полупроводник; б – с донорной примесью; в – с акцепторной примесью.

Под действием внешних факторов некоторые валентные электроны - атомов кристаллической решетки могут приобрести энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей. Так, при любых температурах выше абсолютного нуля атомы твердого тела колеблются около узлов кристаллической решетки. Чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний. Время от времени энергия этих колебаний, отдельные флуктуации которой могут превышать ее среднее значение, сообщается, какому-либо электрону, в результате чего его полная энергия оказывается достаточной для периода с валентной зоны в зону проводимости. Этот электрон становится свободным и может принять участие в формировании электрического тока. С увеличением температуры концентрация свободных электронов в полупроводнике возрастает по экспоненциальному закону

Таким образом, если извне будет  подведена энергия, достаточная  для перехода электрона через запрещенную зону, то полупроводник будет обладать определенной проводимостью.

При температуре абсолютного нуля все валентные уровни заполнены  с вероятностью, равной единице, а  вероятность заполнения любого уровня зоны проводимости равна нулю. При комнатной температуре часть валентных электронов переходит в зону проводимости.

При освобождении электрона из ковалентной  связи в ней возникает как  бы свободное место, обладающее элементарным положительным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона. Такое освободившееся в электронной связи место условно назвали дыркой, а процесс образования пары электрон – дырка получил название генерации зарядов. При этом надо иметь в виду, что концентрация дырок в идеальной кристаллической решетке химически чистого (собственного) полупроводника всегда равна концентрации свободных электронов.

При образовании пары электрон-дырка  атом становится заряженным положительно и может притянуть к себе электрон соседнего атома. Связь восстанавливается, атом опять становится нейтральным. Однако нехватка электрона будет в соседнем атоме, который, в свою очередь, захватит электрон у своего соседа и т.д. до тех пор, пока имеющуюся вакансию не заполнит один из свободных электронов. Процесс заполнения свободной связи (дырки) электроном называют рекомбинацией.

Таким образом, по кристаллу происходит перемещение не только свободных  электронов, но и дырок. И они, также как электроны, могут принять участие в формировании электрического тока. При отсутствии внешнего электрического поля электроны и дырки перемещаются в кристалле хаотически вследствие теплового движения. Характеристиками этого движения являются: средняя длина свободного пробега, среднее время жизни, подвижность носителей заряда и некоторые другие.

При приложении внешнего источника электрического поля, движение дырок и электронов становится упорядоченным и в кристалле возникает электрический ток. Проводимость полупроводника будет обусловлена перемещением, как свободных электронов, так и дырок. В первом случае носители зарядов отрицательны (негативны), во втором – положительны (позитивны). Соответственно различают два вида проводимости полупроводников – электронную, или проводимость типа n (от слова, negative – отрицательный), и дырочную, или проводимость типа р (от слова positive – положительный).

В химически чистом кристалле полупроводника число дырок всегда равно числу  свободных электронов и электрический  ток в нем образуется в результате одновременного переноса зарядов обоих  знаков. Такая электронно-дырочная проводимость называется собственной проводимостью полупроводника. При этом общий ток в полупроводнике равен сумме электронного и дырочного токов, которые в чистом полупроводнике равны.

Наличие примесей (атомов других веществ  с иной валентностью по сравнению  валентностью полупроводника) существенно изменяет проводимость полупроводника. Целенаправленное введение в кристалл полупроводника примесей приводит к тому, что в нем будет наблюдаться преобладание либо свободных электронов, либо дырок. Примеси, вызывающие в полупроводнике увеличение свободных электронов, называются донорными, а вызывающие увеличение дырок – акцепторными. В первом случае примесный полупроводник получил наименование полупроводника п-типа, во втором – р-типа, а проводимость, вызванная присутствием в кристалле полупроводника примесей, называется примесной.

В зависимости от того, атомы какого вещества будут введены в кристалл, можно получить преобладание избыточных свободных электронов либо дырок, т.е. получить полупроводник с преобладающей электронной или дырочной проводимостью.

Предположим, что в кристалл кремния, атомы которого имеют четыре валентных  электрона, введен атом вещества, имеющий  на внешней орбите не четыре, а пять валентных электронов (рисунок  1.2, б), например, атом бора. В этом случае атомы бора своими четырьмя из пяти валентными электронами вступают в связь с атомами кристаллической решетки кремния. Пятый валентный электрон сурьмы окажется не связанным, т.е. становится избыточным с точки зрения формирования связей кристаллической решетки.

Это меняет энергетическую модель полупроводника (рисунок 1.1). Атомы примеси обладают энергетическими уровнями, отличающимися от уровней собственного полупроводника. Так, пятивалентные примеси мышьяка, сурьмы, бора и других веществ имеют энергетические уровни валентных электронов вблизи зоны проводимости основного полупроводника (эти уровни обычно называют примесным, рисунок 1.1, б). Разница между энергетическим уровнем валентных электронов примесных атомов и зоной проводимости (DW на рисунке 1.1, б) составляет примерно 0,05 эВ. Уже при комнатной температуре почти все электроны с примесного уровня переходят в зону проводимости. Свободных электронов становится значительно больше, чем дырок, возникших в результате отрыва электрона от атома основного вещества. При этом время жизни дырки уменьшается в связи с большей вероятностью «встретить» свободный электрон и рекомбинировать. Поэтому при формировании электрического тока он в основном определяется электронной составляющей.

Полупроводники, электропроводность которых повысилась благодаря образованию большого числа свободных электронов при введении примеси, называются полупроводниками с электронной проводимостью, или сокращенно полупроводниками типа п (или п-типа). Электроны, составляющие подавляющее большинство подвижных носителей заряда в полупроводниках n типа, называют основными носителями заряда, а дырки – неосновными. Примеси, обеспечивающие получение электронной проводимости, называют донорными.