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

Будь-який реальний напівпровідник містить домішки і має дефекти кристалічної ґратки. Атоми домішок можуть бути розташовані між вузлами ґратки (домішки занурення) чи у самих вузлах ґратки замість основних атомів (домішки заміщення).Мізерні кількості домішок заміщення різко змінюють електричні властивості напівпровідників – збільшують їх провідність. Наприклад, 10-5 атомів Арсену в германії знижують опір останнього у 200 разів. Провідність напівпровідника, яка обумовлена наявністю атомів домішок заміщення, називають домішковою провідністю напівпровідника. Можливість керування електропровідністю домішкових напівпровідників широко використовують в сучасній електронній промисловості для надання напівпровідникам заданих властивостей. Розрізняють домішкові електропровідності n-типу і р-типу.

При внесенні в попередньо очищений чотиривалентний напівпровідник Ge чи Si домішки п’ятивалентного елемента (наприклад, Арсену (As), Стибію (Sb) або Фосфору (Р)) атоми домішки заміщають у вузлах кристалічних ґраток атоми напівпровідника (рис. 1.4,а)). При цьому чотири валентні електрони кожного атома домішки, об’єднавшись з чотирма електронами сусідніх атомів напівпровідника, налагоджують тетраедричну систему ковалентних зв’язків, а п’ятий електрон кожного атома домішки виявляється надлишковим і дуже слабко зв’язаним з атомом. Енергетичний рівень домішки розміщується на зонній діаграмі напівпровідника у забороненій зоні поблизу нижньої границі зони провідності (рис. 1.4,б)). Вже при кімнатній температурі надлишкові електрони долають невеликий бар’єр шириною , переходять у зону провідності і стають вільними (рис. 1.4,в)), тобто можуть вільно переміщуватися всередині кристала і забезпечувати проходження електричного струму. При цьому домішкові атоми перетворюються на позитивні йони.

Рис. 1.4. До пояснення утворення напівпровідника n-типу:

структура кристалічної ґратки кремнію з атомом донорної домішки (а),

зонна діаграма напівпровідника n-типу за температури T=0oK (б) і кімнатній температурі (в)

Домішка, внесення якої збільшує концентрацію вільних електронів, називається донорною. Електропровідність напівпровідника з донорною домішкою забезпечується, головним чином, електронами, і тому такий напівпровідник називають n-напівпровідником чи напівпровідником n-типу (від англ. negativе). Основними носіями заряду в напівпровіднику n-типу є електрони, а неосновними – дірки. Хоча кількість атомів домішки дуже незначна і строго дозується (приблизно 1 атом домішки на 10⁷ - 10⁸ атомів напівпровідника) провідність напівпровідника з домішкою при кімнатній температурі зростає у декілька десятків разів.

Після внесення у попередньо очищений чотиривалентний напівпровідник Ge чи Si атомів елементів III групи (наприклад, Індію (In), Галію (Ga) або Бору (В)) атоми домішки заміщають у вузлах кристалічних ґраток атоми основного кристала напівпровідника. Однак, у цьому випадку при комплектуванні кожної тетраедричної системи ковалентних зв’язків у разі наявності атома домішки одного електрона не вистачає, оскільки атоми домішки мають лише три валентні електрони, і створюється дірка (рис. 1.5,а)). За температури абсолютного нуля такі дірки не заповнюються електронами, тому що мають енергетичний рівень, який трохи (на 0,1 (еВ)) перевищує верхню границю валентної зони напівпровідника (рис. 1.5,б)). При кімнатній температурі енергія валентних електронів збільшується і дірки можуть бути заповнені збудженими електронами внаслідок розривів будь-яких сусідніх ковалентних зв’язків. При цьому атоми домішки перетворюється на негативні йони, у валентній зоні кремнію з’являються дірки (рис. 1.5,в)).

Рис. 1.5. До пояснення утворення напівпровідника р-типу:

структура кристалічної ґратки кремнію з атомом акцепторної домішки (а),

зонна діаграма напівпровідника р-типу за температури T=0^oK (б) і кімнатній температурі (в)

Домішка, введення якої зумовлює створення дірок у валентній зоні напівпровідника, називається акцепторною. Напівпровідник з акцепторною домішкою має, головним чином, діркову провідність або провідність р-типу (від англ. positive) і називається p-напівпровідником. Основними носіями заряду в напівпровіднику р-типу є дірки, а неосновними – електрони.

Повна провідність напівпровідника з введеною домішкою визначається сумою власної та домішкової провідностей. За низьких температур домішкова провідність перевищує власну провідність; за високих температур, коли всі атоми домішок йонізовані, власна провідність напівпровідника може перевищувати домішкову провідність. При внесенні в напівпровідник одночасно донорних і акцепторних домішок характер домішкової провідності залежатиме від того, яка з них створює більшу концентрацію носіїв заряду.

Щоб домішкова провідність превалювала над власною, концентрація атомів донорної домішки N_Д  або акцепторної домішки N_A  має перевищувати концентрацію власних носіїв заряду і-напівпровідника . Наприклад, для кремнію, у якого при кімнатній температурі , N_Д або N_A можуть дорівнювати , тобто в 100-10 000 разів перевищувати власну концентрацію основних носіїв заряду. Якщо , то можна знехтувати власною провідністю при аналізі процесів у напівпровіднику. Як бачимо, дуже незначна кількість домішки суттєво змінює характер електропровідності напівпровідника. Цікавим є факт, що концентрація неосновних носіїв заряду у домішковому напівпровіднику зменшується у стільки ж разів, у скільки збільшується концентрація основних носіїв. Це означає, що завжди виконується співвідношення:

,

Отримання напівпровідників з такою малою і строго дозованою кількістю домішки є складним технологічним процесом. До того ж напівпровідник має бути попередньо очищеним, тобто для германію сторонні домішки допускаються у кількості не більш від 10^-8%, а для кремнію – 10^-11%.

Зауваження. Типовими технологічними процесами внесення домішок в попередньо очищений напівпровідник є легування шляхом дифузії або йонної імплантації (див. Лекцію № 4, § 4.2.3). Окрім цього, можна нарощувати шари напівпровідників заданого типу провідності в процесі епітаксії (див. Лекцію № 4, § 4.2.1).