promel (Электроника учебник), страница 4

Концентрация электронов в зоне проводимости (свободных электронов) при этом определяется преимущественно концентрацией евеДеннай примеси гггв, а не собственными электронами валентной зоны, "Реодолевающими шиРокУю запРещеинУю зонУ Л))гв.

В соответствии с э™м концентрация электронов п„в полупроводнике и-типа существенно выше концентрации дырок и„, образующейся в результате перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Можно счи га тзон "икать, чта в полупроводнике и-типа ток создается в основном элек- Лругими словами, электроны в этом случае являются о снов г НОВ ни!ми носителями заряда, а дырки — неос- вными носителями заряда.

Рис. Ьб. Возникновение дырки в кристалле патупроводника р-типа (а) и отраженно этого процесса на энергетической диаграмме (о) В полупроводниках р-типа введение примеси направлено на повышение концентрации дырок. Задача решается использованием в качестве примеси элементов 111 группы Периодической системы (индий. галлий, алюминий, бор), атомы которых имеют по три валентных электрона.

При наличии такой примеси каждый ее атом образует только три заполненные ковалентные связи с соседними атомами исходного полупроводника в кристаллической решетке (рис. !.6, а). Четвертая связь остается незаполненной. Недостающий валентный электрон для заполнения связи принимается от одного из соседних атомов кристалзиг лической решетки, так как — — требуемая для такого пере-е а хода энергия невелика. Переход электрона приводит к пе се пе образованию дырки в ковалентной связи соседнего атон) 5 ма, откуда ушел электрон, и превращению атома примеси в неподвижный отрицательный иоп. В результате за счет примеси достигается повышение концентрации дырок в полупроводнике. Атомы примеси, принимающие валентные электроны соседних атомов, называют а к ц е п то р н ы м и, а саму примесь — а к ц е п т о р н о й. В условиях достаточно большой конпентрации атомов акцепторной примеси в кристалле полупроводника создается некоторая концентрация дырок н отрицательных ионов.

Пока число дырок в данном слое полупроводника остается равным числу отрицательных ионов в нем, в слое сохраняется зарядная нейтральность. Если вошедшие из других слоев электроны заполнят некоторое число существующих дефектов валентной связи (рекомбинация электронов с дырками), в данном слое появится нескомпенсированный отрицательный объемный заряд, создаваемый ионами акцепторной примеси. Рассмотрим процесс образования дырок в полупроводнике р-типа, исходя из его энергетической диаграммы.

При наличии акцепторной примеси в запрещенной зоне энергетической диаграммы исходного полупроводника вблизи валентной зоны появляются локальные уровни энергии, свободные от электронов при температуре абсолютного нуля (рис. 1.6, б).

Число локальных уровней определяется концентрацией атомов примеси в кристалле. Так как разность Ганга между энергией акцепторных уровней и энергией верхнего уровня валентной зоны мала (в зависимости от типа полупроводника и материала акцепторной примеси Л))г", =- 0,01 —; 0,07 эВ), то при комнатной температуре все акцепторные уровни будут заняты электронами, перешедшими из валентной зоны.

В валентной зоне появится большая концентрация дырок. Концентрация дырок в валентной зоне при этом определяется пРеимущес щественно концентрацией внесенной акцепторной примеси у,аие ие дырками, возникающими при термос енерации носителей заряда за счет преодоления валентиыми электронами широкой за- прешеино" виной зоны Л (Р . В соответствии с этим концентрация дырок рр я. в полупр роводнике и-типа существенно больше концентрации свобод- ных элек лектронов и .

По этой причине ток в дырочном полупроводнике я переноси сится в основном дырками. 1Тырки в этом случае являются осно овными носителями заряда, а электро- ны— — неосновными носителями заряда. Таким образом, в примесных полупроводниках концентрации ~сновных носителей заряда (я„— электронного полупроводника и — дырочиого полупроводника) создаются за счет внесения примеси, Р а концентрации неосновных носителей заряда (р„, ия — соответст- венно электронного и дырочкого полупроводников) — за счет термо- генерации носителей заряда, связанной с переходом электронов из ва- лентной зоны в зону проводимости.

Необходимая примесь вносится в количестве, при котором концентрация основных носителей заряда ественно (на два-три порядка) превышает концентрацию неос- повных носителей заряда. В зависимости от концентрации введенной примеси удельная проводимость примесного полупроводника возрас- тает по сравнению с чистым полупроводником в десятки и сотни тысяч раз. Характерной особенностью полупроводников рассматриваемых ти- пов является то, что произведение концентраций основных и иеос- новиых носителей заряда при данной температуре является постоян- ной величиной и определяется соотношением ьм, ьт а„р„= прлр — — р;л; = А'е (1.2) где и; = йч — собственные концентрации носителей заряда в чистом полу проводни ке.

В соответствии с выражением (1.2) концентрация неосноипых носителей заряда в примесном полупроводнике меньше концентрации собственных носителей заряда в чистом полупроводнике. Это связано с тем, что с увеличением концентрации основных носителей заряда возрастает роль рекомбинаций, вследствие чего концентрация неосиовных носителей заряда уменьшается.

Равновесие достигается, когда "Ри данной температуре произведение концентрации носителей заРяда в примесном полупроводнике становится равным произведению концентрации носителей заряда в чистом полупроводнике. Зависимость концентрации носителей заряда от температуры накладывает ограничения на температурный диапазон применения "олупроводииковых приборов. Рабочий диапазон температур характеризуется существенным превьппением в примесных полупроводниках концентрации основных носителей заряда над неосновными Р и и» и„) при концентрации основных носителей заряда, Р г м Л' к концентрации внесенной примеси (п„Ла и Р„Л'„).

15 Прн температурах, превышающих верхний температурн причиной нарушения условия и„» р„и р„» нр являетс ние роли концентрации носителей заряда, создаваемых в кристалле при термогенерации за счет преодоления валентными электронами запрещенной зоны ЛУ',. При этом может оказаться, что концентрация носителей заряда и электрическая проводимость в полупроводнике будут определяться не концентрацией внесенной примеси, а концентрацией собственных носителей заряда — электронов и дырок (вырождеиие примесного полупроводника в собственный полупроводник), Верхний температурный предел зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника и составляет для германия 75 — 85'С, а для кремния 150 — 170'С.

В этом проявляется существенное преимущество кремния как материала для полупроводниковых приборов. При температуре ниже рабочего диапазона концентрация неосновных носителей заряда, создаваемая термогенерацией, ничтожно мала. Основную роль здесь играет понижение концентрации основных носителей заряда (и уменьшение электрической проводимости) вследствие уменьшения количества ионизированных атомов примеси.

Нижний температурный предел работы полупроводниковых приборов составляет от — 55 до — 60'С. Время жизни носителей заряда Процесс рекомбинации в примесных полупроводниках играет большую роль во многих полупроводниковых приборах. Предположим, что в некотором слое кристалла полупроводника и-типа с помощью какого-либо внешнего воздействия, например облучения световым потоком, созданы концентрации дырок р, = == р„+ Лр(0) и электронов п, = и„+ Лп(0), превышающие равновесные концентрапии, определяемые выражением (1.2) для данной температуры, Абсолютные приращения концентрации носителей заряда обоих знаков Лр(0) = Лп(0) (слой остается электрически нейтральным), так как в данном примере повышение концентрации носителей заряда обусловливается увеличением числа переходов электронов из валентной зоны в зону проводимости.