Файл: Лекции полупроводниковая электроника лекция 1 Полупроводники и их электрофизические свойства. Элементы зонной теории твердого тела. Все материалы можно поделить на проводники, полупроводники и диэлектрики.pdf

1 ЛЕКЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Лекция № 1 Полупроводники и их электрофизические свойства. Элементы зонной теории твердого тела. Все материалы можно поделить на проводники, полупроводники и диэлектрики.
+ У проводников (металлов) проводимость ≈ 10 6
÷10 7
См×м
–1
+ У диэлектриков проводимость ≈ 10
–8
÷10
–16
См×м
–1
+ У полупроводников проводимость ≈ 10
–8
÷10 6
См×м
–1
«Простых» веществ, обладающих полупроводниковыми свойствами, мало – 12 элементов (B, C,
Si, P и т. д. Они расположены в середине таблицы Д. И. Менделеева. В настоящее время получено более двух тысяч соединений (в том числе и органических, обладающих полупроводниковыми свойствами. По своим физико-механическим свойствам наиболее широкое применение нашли кремний
(Si) и германий (Ge). Кристаллическая решетка Si и Ge называется тетраэдрической или решеткой типа алмаза. При рассмотрении физ. процессов в п/п-ах удобнее пользоваться эквивалентом тетраэдрической решетки. Все атомы нах. в парноэлектронной, ковалентной и просто валентной связи. Парноэлектронные связи (линии на рис) образуются валентными электронами при сближении атомов. При повышении температуры происходит разрыв связей, и часть электронов становится свободной, те. электронами проводимости. Такой же процесс происходит при действии света. Разрыв связей приводит к образованию не только свободных электронов, но и образованию дырок – вакансий, те. пустых мест в атомах, которые покинул электрон. Дырка ведет себя подобно частице с зарядом +e, равным заряду электрона, и массой близкой к массе электрона. Дырка перемещается в течении некоторого времени (времени жизни, а затем рекомбинирует с одним из свободных электронов. В абсолютно чистом п/п, называемым собственным, электроны и дырки образуются парами. Процессы генерации и рекомбинации идут непрерывно, их скорости равны. Генерация носителей – образование пар, рекомбинация – их исчезновение. Электропроводность п/п-ка, обусловленная парными носителями теплового происхождения наз. собственной
П/п-к у которого n=p, наз. собственным п/п. Концентрация электронов n
i
(intrinsic – настоящий) и дырок p
i
в собственном п/п одинаковы и возрастают с повышением температуры. Собственных п/п-ов в природе не существует. Если в справочниках приводят их параметры, то имеют ввиду что в них концентрация примесей и дефектов ниже определенной величины.

2
2. ПРИМЕСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ В примесных п/п-ах концентрации электронов и дырок значительно различаются. Любые примеси в п/п-ах приводят к существенному изменению их свойств. В частности, изменяется электропроводность п/п-ка, называемая примесной. Различают примеси донорные (отдающие электроны) и акцепторные (принимающие электроны, образующие дырки в атомах полупроводника. В качестве донорных примесей используются элементы V группы таблицы Д. И. Менделеева фосфор, мышьяк, сурьма и др. В качестве акцепторных – элементы III группы бор, алюминий, галлий, индий и др. На рис. Если ввести в кремний атом пятивалентного фосфора, то четыре из его пятивалентных электронов образуют с четырьмя электронами соседних атомов кремния парноэлектронные или ковалентные связи. Пятый электрон оказывается слабо связан с ядром и при самых незначительных тепловых колебаниях решетки становится свободным, те. электроном проводимости. Атом примеси при этом превращается в положительный ион с единичным зарядом. Атом, отдающий электрон, называется донором, а примесь – донорной Образовавшиеся свободные электроны добавляются к собственным свободным электронам термогенерации и увеличивают проводимость кристалла. Концентрация примесных электронов будет значительно превышать концентрацию собственных электронов, а следовательно, и дырок. Полупроводники с донорной примесью называются полупроводниками с электронной проводимостью или полупроводниками типа пот отрицательный. В полупроводнике типа п ток электронов значительно превышает ток дырок. В примесном п/п-ке те носители, которые составляют большинство, называют основными, а те, которых меньшинство, – неосновными. Основными носителями заряда в n полупроводнике являются электроны, а неосновными – дырки, ив полупроводнике типа концентрация электронов значительно больше концентрации дырок. Если в кремний ввести атом трехвалентного бора, то для валентной связи бора с четырьмя ближайшими атомами кремния необходимо четыре валентных электрона, а на его верхней валентной оболочке их лишь три. Недостающий электрон отбирается из основной решетки и тогда атом бора превращается в отрицательный ион. На месте покинувшего атом кремния электрона образуется дырка. Атом, принимающий электрон, называется акцептором, а примесь – акцепторной. П/п-ки с акцепторной примесью называются полупроводниками с дырочной проводимостью или полупроводниками типа р рот положительный. В полупроводнике типа р дырочная электропроводность значительно превосходит электронную. Основными носителями заряда в дырочном полупроводнике являются дырки, а неосновными – электроны, и, следовательно, в полупроводнике р-типа концентрация дырок значительно больше концентрации электронов. Аналогично получаются пир. ЭЛЕМЕНТЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Зонная теория твердого тела учитывает различные квантовомеханические эффекты. Полупроводниковые монокристаллы, представляет собой систему, состоящую из большого числа атомов – примерно 10 22
на 1 см. Каждый атом характеризуется дискретным спектром энергий ε
1
, ε
2
,
ε
3
,… разрешенных для электронов (риса. Электроны в атоме распределяются по определенным оболочкам вокруг ядра. Атом кремния имеет 14 электронов, расположенных на трех оболочках пои электрона. Атом германия имеет 32 электрона, расположенных на четырех оболочках пои электрона. Валентные электроны на последней (верхней) оболочке, имеющие наибольшую энергию, определяют электропроводность кремния и германия. При объединении двух атомов происходит расщепление каждого уровня на два (рис. б, а при объединении N атомов в кристалл происходит расщепление каждого энергетического уровня на N уровней (рис. 1 в. Находящиеся на очень близком энергетическом расстоянии отдельные уровни, образовавшиеся при объединении множества атомов Ge или Si в кристалл (рис. в, становятся практически неразличимы.
+ Совокупность близко расположенных энергетических N уровней называется энергетической зоной. Разрешенные энергетические зоны отделены друг от друга запрещенными энергетическими участками, которые называются запрещенными зонами. Ширина запрещенных зон зависит от расстояния между атомами. Таким образом, рис. в можно назвать зонной диаграммой кристалла, в которой разрешенные зоны чередуются с запрещенными. В полупроводниках интерес представляют только три верхние энергетические зоны валентная, запрещенная и свободная, или зона проводимости так как именно эти зоны обусловливают электропроводность полупроводника. Электропроводность возможна лишь тогда, когда возможен переход электрона на другой энергетический уровень. Это означает, что в проводимости могут участвовать электроны только тех зон, где есть свободные уровни, а при температуре абсолютного нуля они имеются лишь в самой верхней разрешенной зоне, которую называют поэтому зоной проводимости. Зона проводимости отделена от валентной запрещенной зоной, ширина которой обозначается Δε. Валентная зона – зона, в которой все энергетические уровни заняты при температуре абсолютного нуля, поэтому электроны этой зоны не могут участвовать в проводимости. Однако с повышением температуры электроны переходят из валентной в зону проводимости, в валентной зоне образуются свободные уровни и появляется возможность перехода на них электронов. Электропроводность твердых тел зависит от взаимного расположения зоны проводимости и валентной зоны. Именно по характеру энергетических диаграмм твердые тела более четко разделяются на проводники (металлы, полупроводники и диэлектрики (изоляторы.

4 В металлах зона проводимости и валентная зона перекрываются, и электроны валентной зоны могут легко переходить в зону проводимости независимо от температуры тела. В зоне проводимости электроны принадлежат всему твердому телу и свободно внутри него перемещаются. В отличие от металлов при нулевой температуре у изоляторов и полупроводников зона проводимости пуста и электропроводность отсутствует. Электропроводность полупроводника обусловлена электронами и дырками. Переход электронов из валентной золы в зону проводимости и образование дырки на освободившемся энергетическом уровне – процесс генерации носителей. Но наряду с генерацией происходит и рекомбинация носителей – переход электронов из зоны проводимости обратно в валентную зону на свободный уровень. При динамическом равновесии оба процесса идут непрерывно, их скорости равны. В примесном п/п-ке пятый валентны валентный электрон донора слабо связан с ядром и становится свободным даже при слабых энергетических воздействиях. В результате введения доноров в запрещенной зоне появляется локальный уровень Д вблизи зоны проводимости. При температуре Т в электронном полупроводнике происходят процессы генерации и рекомбинации носителей заряда, как ив собственном полупроводнике. Кроме того, большое число электронов с уровня донора переходит в зону проводимости и намного увеличивает электропроводность вещества. Энергия, необходимая для перевода электронов с уровней доноров в зону проводимости, называется энергией активации доноров n п/п-ка. Например, для фосфора в кремнии ≈0,044 эВ. Тепловая энергия электронов при комнатной температуре kT=0,025 эВ. Поэтому можно утверждать, что при такой температуре все атомы доноров ионизированы, все электроны с донорных уровней переходят в зону проводимости. В полупроводнике типа электронов в зоне проводимости оказывается больше, чем дырок в валентной зоне, так как свободные носители заряда образуются не только в результате термогенерации как в собственном полупроводнике, но ив основном за счет перехода электронов в зону проводимости с донорных уровней (примесный механизм образования носителей. Можно считать, что при нормальной температуре число образовавшихся дополнительных электронов примерно равно числу введенных атомов донора N.

5 В примесном полупроводнике р-типа в результате введения атомов акцепторной примеси в запрещенной зоне появляется локальный уровень акцепторов вблизи валентной зоны.При нагревании монокристалла (Т>0)происходит термогенерация носителей зарядов, сопровождаемая рекомбинацией. Кроме того, электрон валентной зоны, получив очень небольшую энергию может быть захвачен атомом акцептора и перейти на уровень ε
А
образовав в валентной зоне дырку. Энергия необходимая для перехода электрона верхнего уровня валентной зоны на уровень акцептора ε
А
называется энергией активации дырочного полупроводника. Для бора в кремнии она мала и =0,046 эВ. Значение этосравнимо со средней тепловой энергией электронов при комнатной температуре (kT= 0,025 эВ, и можно утверждать, что практически все атомы акцепторов ионизованы. В полупроводнике типа дырок в валентной зоне оказывается больше, чем электронов в зоне проводимости, так как свободные носители заряда образуются не только в результате термогенерации как в собственном полупроводнике, но ив основном за счет перехода электронов на акцепторные уровни. Можно считать, что при нормальной температуре число образовавшихся дополнительно дырок равно примерно числу введенных атомов акцептора. Рассмотренные выше соотношения справедливы для концентраций примесей доноров и акцепторов меньших 10 16
см
–3
. Однако существуют материалы, в которые вводится еще большее количество атомов примесей. Предельная концентрация примесей – порядка 10 19
см, те. один атом примеси на
1000 атомов основного вещества. Большего количества ввести невозможно без нарушения кристаллической решетки и резкого изменения свойств вещества (обычно в 1 см исходного материала,
Ge или Si, 10 22
атомов. Все материалы можно поделить на проводники, полупроводники и диэлектрики.
+ У проводников (металлов) проводимость ≈ 10 6
÷10 7
См×м
–1
+ У диэлектриков проводимость ≈ 10
–8
÷10
–16
См×м
–1
+ У полупроводников проводимость ≈ 10
–8
÷10 6
См×м
–1
«Простых» веществ, обладающих полупроводниковыми свойствами, мало – 12 элементов (B, C,
Si, P и т. д. Они расположены в середине таблицы Д. И. Менделеева. В настоящее время получено более двух тысяч соединений (в том числе и органических, обладающих полупроводниковыми свойствами. По своим физико-механическим свойствам наиболее широкое применение нашли кремний
(Si) и германий (Ge).

6 Лекция № 2 переход. Полупроводниковые диоды
Электронно-дырочным переходом называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая – дырочную электропроводность. Технологический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть различным точечные, сплавные, диффузионные, планарные, эпитаксиальные, меза- переходы.
1. Точечные переходы. К отполированной и протравленной пластинке, например, германия типа подводят и закрепляют тонкий зонд – иглу из бериллиевой бронзы диаметром мкм. Затем через контакт зонда пропускают кратковременные мощные импульсы. Медь плавится и диффундирует в германий образуя под зондом небольшую область типа. Точечные переходы используют в изготовлении ВЧ- и СВЧ-диодов.
2. Сплавные переходы. Монокристалл германия распиливают на тонкие (0,2–
0,3 мм) пластины, которые травят и полируют, а затем распиливают на пластинки площадью от мм и больше. На пластинку, например, германия типа, накладывают таблетку из акцепторного материала, чаще всего индия, и помещают в печь. Прогреваясь таблетка вплавляется в германий и образуется контактный слой. Сплавные переходы имеют большую площадь и значительную емкость. Их чаще используют при изготовлении сильноточных диодов и транзисторов.
3. Диффузионные переходы. Получаются при диффузии примесного вещества в исходную полупроводниковую платинку(например, из газовой среды содержащую пары акцептора)
4. Планарные переходы (англ. planar – плоский. Является дальнейшим развитием диффузионной. Называются потому что контакты ко всем областям расположенны на одной плоскости исходной полупроводниковой пластины.
5. Эпитаксиальный способ основан на наращивании пленок п/п-го материала с заданной концентрацией и определенным законом их распределения на различные подложки из паровой фазы. Широко используется в изготовлении интегральных микросхем.
6. Ионное легирование. Поток заряженных ускоренных частиц направляют на полупроводниковую пластинку. Глубина проникновения зависит от энергии частица степень легирования – от продолжительности облучения.
7. Меза-переходы. Используют при изготовлении большой партии п/п-ых приборов в едином технологическом процессе. Основным свойством p-n перехода является несимметричная электропроводность – водном направлении ток переход пропускает, а в другом нет. Одна часть перехода легирована донорной примесью и имеет электронную проводимость (n область, другая легирована акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость (p область. Электроны n области стремятся проникнуть в p область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из р области

7 перемещаются в n область. Образуется диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через границу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препятствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие. На границе раздела образуется электрическое поле, напряженность которого максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное изменение знака объемного заряда. Высота потенциального барьера p-n перехода определяется контактной разностью потенциалов
2
ln
i
n
p
p
n
n
Т
К



, (1) где Т = kT/q – тепловой потенциал, n n
и p p
– концентрации электронов и дырок в n и p областях, n i
– концентрация носителей в нелегированном полупроводнике. К для Ge = 0,6…0,7 В, для Si = 0,9…1,2 В. К можно изменять прикладывая внешнее напряжение к переходу. Если приложенное напряжение снижает потенциальный барьер, то оно наз. прямым, в противном случае обратным см. рис.
ВАХ представляет зависимость тока через переход от величины и полярности приложенного напряжения. Обратный ток через переход является током проводимости и не зависит от высоты потенциального барьера и наз. током насыщения и обозначается I
ОБР
=I
S
При прямом смещении перехода появляется диффузионный ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер. Концентрация неосновных носителей при этом может существенно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Такое явление носит название инжекции носителей. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально
I
ДИФ
=I
S
exp(U/φ
Т
), (2)

8 Полный ток равен
I
ПР
=I
ДИФ
–I
s
=I
S
[exp(U/φ
Т
)–1], (3)
(3) наз. уравнением Эберса–Молла. Т.к. при Т К, К мВ, то уже при
U=0,1 В можно считать, что
I=I
ДИФ
=I
S
Т, (4) Дифференциальное сопротивление перехода можно определить воспользовавшись (3):
1/r
ДИФ
=dU/dt=(1/φ
Т
)·(I+I
S
) или r
ДИФ=
φ
Т
/(I+I
S
), (5) Например, при I=1 Аи Т мВ, r
ДИФ
=25мОм. переход имеет емкость, которая определяется как
C=dq/dt Емкость зависит от значения и полярности приложенного напряжения. При обратном напряжении на переходе эта емкость наз. барьерной
К
БАР
БАР
U
С
C

/
1
)
0
(


С
БАР
(0) зависит от площади перехода и свойств полупроводникового кристалла. При прямом напряжении на переходе С
БАР
шунтируется низким дифференциальным сопротивлением. При прямом смещении перехода значительно большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от значения прямого тока I и времени жизни неосновных носителей Р
С
ДИФ
=(I/φ
К
)·τ
Р Полная емкость перехода
– при прямом смещении С = С
ДИФ
+С
БАР
– при обратном смещении С = С
БАР
+ Полупроводниковым диодом наз. прибор, который имеет два вывода и содержит один (или несколько) переходов. Все диоды можно разделить на две группы выпрямительные и специальные. Выпрямительные предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на низкочастотные, высокочастотные и импульсные.