Тема 5. Загальні відомості про принципи роботи і характеристики напівпровідникових приладів

Така кількісна класифікація не є вичерпною, оскільки не всі речовини із зазначеними значеннями питомого опору є напівпровідниками. Різниця між напівпровідниками і діелектриками в цілому кількісна, а от характер провідності напівпровідників і металів зовсім різний: у металів питомий опір зростає із збільшенням температури, а у напівпровідників – зменшується. Напівпровідники відрізняються від інших речовин сильною залежністю їх питомого опору від температури, освітлення, наявності домішок тощо, а також механізмом провідності, а саме: наявністю двох типів зарядів: електронів і дірок. Серед напівпровідників розрізняють прості і складні напівпровідникові матеріали. Самостійне застосування серед простих напівпровідників знайшли кремній (Si), германій (Ge) і селен (Se). До групи складних напівпровідників входять хімічні сполуки із двох чи більше хімічних елементів, які позначають буквами латинської абетки з позначенням групи елемента згідно до таблиці Д. І. Менделєєва:

          – фосфід індію (InP), фосфід галію (GaP), арсенід галію (GaAs), стибад індію (InSb), стибад алюмінію (AlSb) та інші;

          – CdSb, ZnSb та інші;

          – ZnS, ZnSe, телурид цинку (ZnTe), сульфід кадмію (CdS), CdTe, HgSe, HgTe, HgS та інші;

          – PbS, PbSe, PbTe, SnS, SnSe, GeS, GeSe та інші;

         карбіди (SiC), оксиди (Cu₂O, ZnO) і багато інших хімічних сполук.

Напівпровідники, як правило, – це тверді тіла з регулярною кристалічною структурою (монокристали). Їх кристалічні ґраткискладаються з елементарних осередків тієї чи іншої форми й розміру, що прилягають один до одного. Знайомство з процесами внапівпровідниках проводять на прикладі кремнію чи германію і поширюють отримані закономірності на весь клас напівпровідникових матеріалів.

З молекулярної фізики відомо, що зв’язок між атомами елементів, які входять до складу простих або складних речовин, виникає внаслідок електромагнітної взаємодії позитивно заряджених ядер і негативно заряджених електронів. Порядковий номер хімічного елемента співпадає з кількістю електронів, що створюють електронні оболонки атома, причому кількість електронів на зовнішній електронній оболонці в елементах головних підгруп дорівнює номеру групи в Періодичній системі. Саме ці електрони слабко зв’язані з ядром атома і беруть участь у хімічних реакціях. Їх називають валентними електронами. Електрони, які рухаються за замкненими орбітами навколо ядра, не можуть мати довільні значення енергії, а тільки квантовані дискретні значення. Чим далі від позитивно зарядженого ядра, тим більшу енергію має електрон. Найвищі енергетичні рівні займають валентні електрони. При збільшенні температури речовини або в результаті опромінення електрони можуть набути додаткову енергію і перейти на більш віддалену від ядра атома орбіту, тобто стати збудженими. У разі отримання валентним електроном енергії, що перевищує роботу виходу, електрон вилітає за межі кристала.

Якщо атоми елементів, що взаємодіють між собою, мають однакову електронегативність, то між ними створюється неполярний ковалентний хімічний зв’язок за допомогою спільних електронних пар із валентних електронів, які однаковою мірою належать обом атомам. Атоми різних елементів характеризуються різною електронегативністю, що веде до зміщення електронної пари ближче до атома з більшою кількістю електронів на зовнішній оболонці і створення полярного ковалентного зв’язку. Йонний зв’язок утворюється, якщо через дуже значну різницю електронегативності валентні електрони переходять до одного із атомів. Більшість твердих речовин мають кристалічну будову. Залежно від типу частинок, що містяться у вузлах кристалічних ґраток, розрізняють йонні, атомні, молекулярні та інші ґратки.

Типові напівпровідники – це прості речовини кремній та германій, які створені із атомів елементів IV групи Періодичної системи елементів Менделєєва відповідно Силіцію (₁₄Si) та Германію (₃₂Ge). У кристалічних ґратках простих речовин, утворених атомами елементів IV групи, кожний атом сполучений 4 неполярними ковалентними зв’язками з чотирма сусідніми атомами (рис. 1.1,а). Атомні ґратки складаються із тетраедрів, в кутах і центрах яких розміщені атоми (рис. 1.1,б). Відстань між центральним і кутовими атомами однакова, близько 0,25 (нм). Кожний кутовий атом, у свою чергу, слугує центральним для інших чотирьох найближчих атомів. Сукупність декількох тетраедрів утворює елементарний осередок кубічної форми з розміром ребра близько 0,5 (нм). Подібну структуру має і алмаз, що зумовило назву структури – ”ґратки типу алмазу”. Кристал такої структури нагадує велетенську молекулу і характеризується великою твердістю, високою температурою плавлення та слабкою розчинністю.

Зауваження. 1. У кристалах напівпровідників спостерігається явище анізотропії, тобто залежності властивостей від напряму. Тому пластини під час виготовлення інтегральних схем шліфують точно вздовж заданої кристалографічної площини.

2. Структура тонкого приповерхневого шару пластини із напівпровідника завжди відрізняється від структури основного об’єму внаслідок порушення ковалентних зв’язків і відновлення рівноваги за рахунок змін відстаней між атомами й захватів чужорідних атомів із зовнішнього оточення.

Рис. 1.1. Кристалічні ґратки кремнію: кубічний осередок (а),

елементарний тетраедр (б) і його умовне зображення (в)

У твердому тілі атоми сильно взаємодіють між собою, що веде до створення енергетичних зон замість дискретних енергетичних рівнів окремих атомів (рис. 1.2). Аналіз провідності речовин базується саме на зонній теорії твердого тіла.

Рис. 1.2. Зонні структури речовин: металів (а), діелектриків (б) і напівпровідників (в) при 

Сукупність енергетичних рівнів валентних електронів зовнішніх оболонок атомів ідеального кристала утворює на енергетичній діаграмі валентну зону. Валентні електрони приймають участь в електричних та хімічних процесах. Рівні, що відповідають меншій енергії електронів, входять до складу інших зон, заповнених електронами. Ці нижчі енергетичні зони не відіграють ніякої ролі у явищі електропровідності напівпровідника, тому не зображені на рис. 1.2. За температури абсолютного нуля () і відсутності домішок в кристалі всі валентні електрони беруть участь в хімічних зв’язках атомів речовини, отже, всі енергетичні рівні у валентній зоні заповнені. Якщо енергія валентного електрона збільшується через додатковий вплив, він може стати вільним, тобто покинути атом. Таке вивільнення означає перехід електрона у зону провідності.

У напівпровідниках і діелектриках валентна зона й зона провідності розділені забороненою зоною, у металів ці зони перекриваються навіть при температурі абсолютного нуля. Невеличкої кількості енергії, яку отримує електрон, досить для того, щоб піднятися на вищий рівень у зоні провідності металу (рис. 1.2,а) і почати вільний рух. Напівпровідники з ідеальними кристалічними ґратками (напівпровідники і-типу) за температури абсолютного нуля не мають вільних носіїв заряду в зоні провідності, отже, є справжніми ізоляторами. Ширина забороненої зони у напівпровідниках суттєво менша, ніж в діелектриках  (рис. 1.2,б,в). До діелектриків відносять речовини з шириною забороненої зони у кілька електрон-вольт . Напівпровідникові матеріали, що знаходять технічне використання, мають . Так, для германію ширина забороненої зони становить , для кремнію – , для хімічної сполуки арсеніду галію – .

Зауваження. Електрон-вольт (еВ) – це енергія, якої набуває електрон під дією прискорювальної напруги 1 (В): .

З підвищенням температури чи внаслідок опромінення кристала збільшується енергія валентних електронів. Як тільки валентний електрон отримує додаткову енергію, що перевищує енергію забороненої зони, він переходить у зону провідності, звільняючи енергетичний рівень у валентній зоні. На тому місці, де раніше був електрон, з’являється вільне («вакантне») місце – дірка. Вакантний енергетичний рівень – дірку – можна вважати за носій заряду, величина якого дорівнює заряду електрона, але позитивної полярності. Під переміщенням дірки потрібно розуміти заповнення дірки в валентній зоні атома електроном із оболонки сусіднього атома. На місці цього електрона виникає нова дірка, і процес повторюється. Отже, дірка поводить себе подібно до частинки з додатним елементарним зарядом.

Втративши валентний електрон, атом перетворюється на додатний йон (рис. 1.3).

 

Рис. 1.3. До пояснення процесу генерації пари електрон-дірка

Процес утворення пари – електрон в зоні провідності та дірка у валентній зоні – називають генерацією. Процес утворення електронно-діркових пар при нагріванні кристала напівпровідника має назву термогенерація. Кількість носіїв зарядів збільшується вдвічі зі збільшенням температури германію на  і кремнію на 8оС. Генерація пар електрон-дірка під дією світла, рентгенівських та -променів на відміну від нагрівання локальна, тобто визначається площею пучка.

Електрони в зоні провідності та дірки у валентній зоні перебувають у хаотичному русі. При цьому має місце процес захоплення електронів дірками. Процес зникнення пари електрон-дірка називається рекомбінацією. Середню тривалість існування пари електрон-дірка між моментами генерації й рекомбінації називають часом життя носіїв заряду. Середня відстань, на яку переміщуються носії зарядів за час життя, – це дифузійна довжина носіїв заряду (типові значення 0,2…3(мкм)). Перехід електрона з вищого енергетичного рівня провідності на нижчий рівень валентної зони супроводжується вивільненням енергії, яка передається кристалічним ґраткам або випромінюється у вигляді кванта світла. Із збільшенням температури зростає як кількість генерацій за одиницю часу, так і кількість рекомбінацій. Для кожного значення температури встановлюється динамічна рівновага, а концентрації (кількість носіїв в одиниці об’єму) дірок  та електронів ni у напівпровіднику без домішок дорівнюють одна одній: . При кімнатній температурі (25oC), для Ge: , для Si: , для GaAs: . Зрозуміло, що чим більша ширина забороненої зони, тим менша кількість вільних носіїв заряду.

За наявності електричного поля електрони рухаються проти напруженості поля, а дірки – в напрямі напруженості поля. Зручно розглядати електричний струм у напівпровіднику як суму двох струмів: електронного та діркового. Провідність напівпровідника, яка зумовлена генерацією парних носіїв електрон-дірка під дією зовнішніх чинників (нагрівання, опромінення), має назву власна провідність напівпровідника. Власна провідність напівпровідника має дві складові: електронну та діркову. Незважаючи на однакову кількість електронів та дірок у напівпровіднику і-типу, електронна провідність перевищує діркову, що пояснюється більшою рухомістю електронів провідності порівняно з рухомістю дірок. Зрозуміти це легко, якщо пригадати, що діркова провідність являє собою більш обмежене переміщення електронів, ніж рух вільних електронів. Електрони і дірки рухаються у протилежних напрямах, але електронна і діркова складові струму додаються, тому що рух дірок є насправді рухом електронів. Наприклад, якщо у напівпровіднику і-типу електронна складова струму , а діркова – , то повний струм провідності .

Упорядкований рух електронів і дірок під дією електричного поля називають дрейфом, а рух носіїв зарядів із зони з більш високою їх концентрацією в зону з меншою концентрацією – дифузією.