Полупроводники

Физические свойства полупроводников получили свое объяснение на основе зонной теории, которая позволяет сформулировать критерий, разделяющий твердые вещества на два класса — металлы и полупроводники (диэлектрики). В металлах валентная зона заполнена полностью или перекрывается с зоной проводимости. В полупроводниках и диэлектриках зона проводимости отделена от валентной зоны запрещенной зоной, и не содержит носителей. Деление неметаллических веществ на полупроводники и изоляторы (диэлектрики) является чисто условным. Ранее к изоляторам относили вещества с величиной запрещенной зоны Eg >2-3 эВ. Однако многие из таких кристаллов являются типичными полупроводниками.

Электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом носителей заряда (см. дрейф заряженных частиц). В полупроводниках появление носителей заряда определяется рядом факторов, важнейшими из которых являются химическая чистота материала и температура. В зависимости от чистоты полупроводники подразделяют на собственные и примесные.

В собственном полупроводнике можно пренебречь влиянием примесей при данной температуре. Так как в полупроводниках запрещенная зона не очень широкая, в собственном полупроводнике при температуре абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости абсолютно свободна: он не обладает электропроводностью и ведет себя подобно идеальному диэлектрику. При температурах, отличных от абсолютного нуля, имеется конечная вероятность того, что некоторые из электронов за счет тепловых флуктуаций (неравномерного распределения тепловой энергии между частицами) преодолеют потенциальный барьер и окажутся в зоне проводимости. Вероятность перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости зависит от температуры и ширины запрещенной зоны(Eg), ~-Eg/kT.

В собственном полупроводнике каждый переход электрона в зону проводимости сопровождается образованием дырки в валентной зоне. Благодаря дыркам электроны валентной зоны также принимают участие в процессе электропроводности за счет эстафетных переходов под действием электрического поля на более высокие освободившиеся энергетические уровни. Совокупное поведение электронов валентной зоны можно представить как движение дырок, обладающих положительным зарядом и некоторой эффективной массой. Чем выше температура и меньше ширина запрещенной зоны, тем выше скорость тепловой генерации носителей заряда (электронов и дырок). Одновременно с генерацией в полупроводнике непрерывно идет и обратный процесс, процесс рекомбинации носителей заряда, т.е. возвращение электронов в валентную зону с исчезновением пары носителей заряда. В результате протекания двух конкурирующих процессов в полупроводнике при любой температуре устанавливается некоторая равновесная концентрация электронов no и дырок po, которые равны друг другу в собственном полупроводнике (равновесная концентрация электронов n_i = равновесной концентрации дырок p_i) . (Индекс i происходит от англ. intrinsic — собственный).

В собственных полупроводниках наблюдается электронно-дырочный механизм проводимости.

Электрофизические свойства примесного полупроводника определяются в первую очередь типом и концентрацией примеси, которая создает дополнительные уровни в запрещенной зоне полупроводника. При малой концентрации примесей расстояние между примесными атомами велико, их электронные оболочки не взаимодействуют друг с другом. Поэтому примесные энергетические уровни являются дискретными, т. е. не расщепляются в зону, как это имеет место для уровней основных атомов кристаллической решетки. Роль дискретных уровней могут играть и всевозможные дефекты структуры, в первую очередь, вакансии и междоузельные атомы. Примеси могут либо поставлять электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны. Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей — донорными уровнями. Основными носителями тока в таких полупроводниках являются электроны, возникает электронная проводимость (проводимость n -типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей — акцепторными уровнями. Основные носители заряда в таких полупроводниках — дырки. В них наблюдается дырочная проводимость (проводимость p -типа).

В полупроводниках всегда присутствуют оба типа носителей заряда. Основными называют носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике больше, неосновными — носители заряда, концентрация которых меньше. В полупроводнике n - типа основные носители заряда — электроны, неосновные — дырки, в полупроводнике p-типа дырки — основные, а электроны — неосновные.

Если в полупроводнике n - типа увеличить концентрацию доноров, то возрастет число электронов, переходящих в единицу времени с примесных уровней в зону проводимости. Соответственно возрастет скорость рекомбинации носителей заряда и уменьшится равновесная концентрация дырок. При помощи соотношения:

n_o^.p_o = n²_i

называемого соотношением действующих масс для носителей заряда всегда можно, найти концентрацию неосновных носителей заряда, если известна концентрация основных. Характерная особенность полупроводников — рост электропроводности с увеличением температуры — обусловлена ростом концентрации носителей при увеличении температуры.

Под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения (скорость дрейфа) и создают электрический ток. Подвижность носителей заряда, равная средней скорости носителей заряда в полупроводнике в электрическом поле с напряженностью 1В/см, зависит от длины их свободного пробега, а, следовательно, определяется процессами рассеяния движущихся в полупроводнике электронов.

Процесс рассеяния представляет собой искривление траектории движения носителя заряда под влиянием сил, действующих на электрон или дырку со стороны рассеивающего центра. Если таким центром является положительный ион, то рассеивающей силой будет кулоновский потенциал, если рассеивающим центром является нейтральный атом примеси, рассеиваемый электрон, сталкиваясь с ним, выбивает электрон, принадлежащий атому, рассеиваемый электрон остается в атоме, а выбитый, получив энергию, движется по измененной траектории. Так как электроны неразличимы, акт обмена электронами рассматривается как акт изменения траектории электрона, т. е. рассеяние. Характерной особенностью рассеяния на нейтральных атомах является независимость времени релаксации от энергии рассеиваемых носителей заряда и температуры. Процесс рассеяния электронов на тепловых колебаниях решетки рассматривается как столкновение с фононом. Поскольку число фононов определяется температурой, то и рассеяние носителей заряда зависит от температуры. Рассеивающими центрами при движении электрона являются также структурные дефекты кристаллической решетки — дислокации, вакансии, имеет место также электрон-электронное рассеяние.

В реальных полупроводниках действуют одновременно несколько механизмов рассеяния, причем вклад каждого из них может сильно меняться с изменением температуры и концентрации примеси.

Закон действующих масс для носителей заряда применим только к равновесным процессам. Генерация носителей заряда в полупроводниках может осуществляться не только за счет теплового воздействия но и при облучении светом, при воздействии электрического поля, при инжекции через контакт и т. д. В результате таких воздействий в полупроводнике появляются дополнительные, неравновесные носители заряда. Их концентрация является избыточной по отношению к равновесной и после прекращения нетеплового возбуждения полупроводник возвращается в равновесное состояние, при этом избыточная концентрация носителей заряда за счет процесса рекомбинации спадает до нуля. Принцип действия почти всех электронных приборов основан на явлении инжекции неравновесных носителей при воздействии на кристалл внешних сил (световое, электромагнитное излучение радиочастотного диапазона, облучение ядерными частицами и т. д.). Поэтому скорость рекомбинации определяет быстродействие прибора. Чем больше скорость рекомбинации, тем на более высоких частотах будет работать прибор.

Скорость рекомбинации характеризуется временем жизни носителей заряда — характеристическим временем, по истечении которого избыточная концентрация носителей заряда при линейной рекомбинации уменьшается в е раз. Т. е. характеризует среднее время существования избыточной концентрации и зависит от вида и механизма рекомбинации, состава полупроводника, температуры.

Существует два вида рекомбинации: зона — зона, при котором избыточные электроны из зоны проводимости непосредственно переходят в валентную зону, и рекомбинация через глубокие уровни в запрещенной зоне полупроводника.

При рекомбинации происходит отдача энергии, полученной при генерации. Механизмы рекомбинации классифицируют по способу отдачи энергии, выделяющейся при акте захвата носителей при рекомбинации.

Наиболее вероятные механизмы рекомбинации в полупроводниках:

- излучательная рекомбинация, при которой энергия выделяется в виде кванта электромагнитного излучения;

- фононная рекомбинация, связанная с непосредственной передачей выделяющейся энергии колебаниям атомной решетки:

- ударная рекомбинация (эффект Оже), когда энергия сначала передается ближайшему свободному электрону (или дырке), который затем отдает свою избыточную энергию либо колебаниям атомов решетки, либо другим носителям.

Все три механизма могут осуществляться как при рекомбинации зона-зона, так и при рекомбинации через локальные центры.

При воздействии на полупроводник светом могут быть реализованы следующие типы взаимодействия квантов света с носителями заряда: собственное поглощение, экситонное поглощение, поглощение на свободных носителях, примесное поглощение.

В случае собственного поглощения происходит взаимодействие фотонов с электронами в валентной зоне, т. е. с собственными электронами атомов, составляющих кристаллическую решетку, Фотоны определенной энергии способны отдать свою энергию этим электронам, оторвать их от атомов и перевести электроны на более высокие энергетические уровни. В этом случае фотоны поглощаются в кристалле. При собственном поглощении переходы могут быть прямые, когда волновой вектор электрона остается неизменным, и электрон и оставляемая им дырка имеют одинаковые квазиимпульсы. Возможны также непрямые переходы с участием фононов, которым передается избыточный импульс. По краю собственного поглощения можно определить ширину запрещенной зоны полупроводника.

В некоторых полупроводниках наблюдается экситонное поглощение. При поглощении фотонов образуются экситоны, которые могут блуждать по кристаллу. При столкновении с примесными центрами экситон может либо распасться и образовать электрон и дырку, либо рекомбинировать и перевести атом в невозбужденное состояние. В первом случае экситону необходима тепловая энергия, во втором — либо происходит излучение кванта энергии, либо энергия экситона переходит решетке полупроводника в виде теплоты.

Поглощение на свободных носителях имеет место, когда фотоны реагируют со свободными носителями заряда в разрешенных зонах. При этом энергия фотонов расходуется на перевод носителей заряда на более высокие уровни. Под действием электрического поля световой волны носители заряда совершают колебательные движения синхронно с полем и при столкновении с узлами решетки отдают накопленную энергию.

В случае примесного поглощения света фотоны взаимодействуют с примесными атомами, ионизируя или возбуждая их. Взаимодействие фотонов с примесными атомами носит резонансный характер.

В полупроводниковых кристаллах также имеет место поглощение света кристаллической решеткой. Оно проявляется в далекой ИК-области спектра и накладывается на другие виды поглощения.

В случае примесного и собственного оптического поглощения происходит генерация неравновесных носителей заряда, которая сопровождается изменением электрических свойств полупроводника при освещении — наблюдается эффект фотопроводимости, используемый для создания широкого класса приборов. К неравновесным оптическим явлениям, характерным для полупроводниковых кристаллов и нашедших широкое применение в полупроводниковом приборостроении относится люминесценция.

При больших концентрациях примесей или дефектов проявляется их взаимодействие, ведущее к качественным изменениям свойств полупроводников. Это можно наблюдать в сильно легированных полупроводниках, когда что среднее расстояние между атомами примеси становится меньше (или порядка) среднего расстояния а, на котором находится от примеси захваченный ею электрон или дырка. В таких условиях носитель вообще не может локализоваться на каком-либо центре, т. к. он все время находится на сравнимом расстоянии сразу от нескольких одинаковых примесей. Более того, воздействие примесей на движение электронов вообще мало, т. к. большое число носителей со знаком заряда, противоположным заряду примесных ионов, экранируют (т. е. существенно ослабляют) электрическое поле этих ионов. В результате все носители, вводимые с этими примесями, оказываются свободными даже при самых низких температурах.

Сильное электрическое поле влияет на подвижность и концентрацию носителей заряда. Существуют несколько механизмов увеличения концентрации носителей в сильном электрическом поле. Основными механизмами являются три: термоэлектрическая (термополевая) ионизация (эффект Френкеля), электростатическая ионизация (туннельный эффект) и ударная ионизация.

Механизм термополевой ионизации реализуется при низких температурах, когда концентрация электронов в зоне проводимости определяется вероятностью их освобождения с донорных уровней. На электрон, находящийся на донорном уровне, в электрическом поле помимо силы кулоновского притяжения к иону-донору действует сила F=-qE, способная помочь электрону оторваться от донора и стать свободным. Т. е. повышается вероятность перехода электронов с донорных уровней в зону проводимости, что и означает увеличение концентрации носителей и возрастание электропроводности.

При более высоких температурах, когда донорная примесь ионизирована полностью, главную роль в увеличении концентрации носителей играют явления, связанные с ударной и электростатической (туннельной) ионизацией решетки кристалла в полях большой напряженности.

Автор: И.В. Степанцова