Для большинства полупроводниковых приборов используется область примесного истощения, так как влияние температуры, например, на характеристики полупроводниковых усилительных устройств и т.д. нежелательно и его стремятся максимально снизить. Кроме того, в области собственной проводимости резко изменяются параметры данных приборов, изготовленных, как правило, с применением примесей.
Полупроводники с дырочной проводимостью
Если в четырехвалентный элемент, например, кремний ввести атомы трехвалентного элемента (галлий Ga, индий In, бор В и т.д.), то у примесного атома для образования четырех ковалентных связей с атомами кремния не хватает одного электрона (рис. 8.8, а). Этот электрон может быть получен от соседнего атома кремния за счет разрыва ковалентной связи, что требует затраты некоторой энергии WA (рис. 9.8, б).
Рис. 8.8 Кристаллическая решетка полупроводника с дырочной проводимостью (а)
и его зонная энергетическая диаграмма (б).
На месте разорванной связи образуется дырка, а электрон будет удерживаться около атома примеси, который становится отрицательно заряженным ионом. Для освобождения данного электрона необходима значительная энергия, большая, чем WA, которая может перевести его в зону свободных электронов.
Примеси, увеличивающие число свободных дырок, называют акцепторными (acceptare (лат.) - принимать).
Примеси подбирают таким образом, чтобы их энергетические уровни WА располагались в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны основного полупроводника, ниже его уровня Ферми (мелкие примеси). Поэтому, даже незначительное внешнее воздействие приводит к появлению свободных дырок.
Чем больше кинетическая энергия дырки, тем ниже она располагается на энергетической диаграмме.
В полупроводниках с дырочной проводимостью (или p-типа), дырки – основные носители заряда, электроны не основные носители заряда.
Появление электронов связано с термогенерацией. Однако их концентрация значительно ниже, чем в собственных полупроводниках из-за избытка дырок, следовательно, большой вероятности встречи с ними электронов и рекомбинации.
Еще раз подчеркнем: реально перемещаются электроны в зоне валентных электронов. Никакой частицы «дырки» не существует. Ее нельзя извлечь из кристалла и изучить, например, поведение в вакууме.
8.3 Компенсация полупроводников примесями
Основной проблемой при производстве полупроводниковых приборов является очистка исходного материала от примесей, что осуществить дорого и технически сложно. Добавка дополнительных необходимых примесей в определенной пропорции позволяет получить требуемые характеристики полупроводника.
Пример: в кремний в строго одинаковых концентрациях введен мышьяк и бор (рис. 8.9, а). Какие свободные носители заряда появятся, и в какой пропорции?
Все электроны с донорного уровня WД перейдут на первоначально свободный нижний акцепторный уровень WА. Теперь, чтобы создать в кристалле свободный электрон, нужно затратить энергию WД – WА, почти такую же большую, как DW (рис. 8.9, а). Еще большую энергию нужно затратить, чтобы освободить акцепторный уровень для образования дырки.
Таким образом, в полупроводнике нет примесных носителей зарядов, и он ведет себя как собственный полупроводник.
Данный пример показывает, что с помощью мелкой примеси можно скомпенсировать другую примесь в не полностью очищенном полупроводнике, но это требует абсолютно точной дозировки примесей, что трудно реализовать.
Поэтому полной компенсации не осуществляют, а преобладающая примесь определяет тип проводимости в не полностью очищенном полупроводнике.
Собственные полупроводники используются в электронике как элементы с большим удельным сопротивлением. Чтобы получить их из материала с мелкими примесями, дополнительно вводят глубокую примесь (WА ≈ DW/2 или WД ≈ DW/2) с большей концентрацией.
Глубокие акцепторы захватят все электроны, созданные мелкими донорами, и освободить их будет не просто. Свободных дырок глубокая примесь не образует, так как энергия активации дырки у таких акцепторов велика (рис. 8.9, б).
При использовании глубоких доноров, они захватывают все дырки за счет перехода электронов примеси на более низкий энергетический уровень акцептора, а свободных электронов не образуют, так как необходимая энергия для их активации велика (рис. 9.9, в).
Рис. 8.9 Зонные энергетические диаграммы коррекции типа
проводимости мелкими примесями (а), глубокими примесями (б)
и образования энергетических «ступенек» (в).
Пример: если до введения глубокой примеси арсенид галлия (GaAs) был p – типа, то вводят кислород, который в GaAs является глубоким донором. Если исходный GaAs был n – типа, вводят хром, который в GaAs является глубоким акцептором.
Результат – кристалл GaAs с характеристиками собственного полупроводника и удельным сопротивлением до 107 Ом·см.
Глубокие примеси, выступая как энергетические ступеньки, могут выполнять прямо противоположную функцию: помогать рождению дырок и электронов (рис. 9.9, г).
Например, переход электрона в зону проводимости можно осуществить в два этапа: сначала на уровень глубокой примеси (WД = DW/2), а уже потом в зону проводимости, затрачивая незначительные равные, что важно, порции энергии.
При использовании энергетических ступенек процесс генерации свободных дырок и электронов будет идти гораздо интенсивнее, если подать внешнее электрическое поле, которое разделит эти носители заряда и не даст им рекомбинировать.
Этот эффект используется в электронике для резкого увеличения плотности тока, например, в фотодиодах инфракрасного диапазона.
Глубокие примеси также могут сокращать время жизни свободных электронов, выступая в роли «убийц». Они захватывают и удерживают электрон до тех пор, пока рядом не окажется дырка, происходит рекомбинация и примесь опять готова выполнять свою функцию.
Это свойство используется при создании быстродействующих полупроводниковых приборов.
Используются и другие примеси. О них будет сказано в разделе солнечные батареи.
Когда требуется добиться высокой скорости движения свободных электронов или их длительной жизни, то полупроводник подвергается тщательной очистке.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.