В первом приближении все полупроводники подразделяют на собственные и примесные, хотя при нагреве, начиная с некоторой температуры, собственная проводимость становится превалирующей во всех полупроводниках. У собственных полупроводников внутри запрещенной зоны (рис. 2.3.2,в) при Т = 0К какие-либо дополнительные уровни отсутствуют, нет и носителей тока, т.е. они являются изоляторами. С повышением температуры степень возбуждения движения атомов и электронов повышается, что количественно может описываться как сужение запрещенной зоны. Наконец, отдельные электроны получают энергию, достаточную для отрыва от той пары атомов, которую они связывали.
В результате генерируется пара носителей - электрон в зоне проводимости и дырка, как вакантное место в валентной зоне. Схематично этот процесс представлен на рис.2.3.5 для решетки четырехвалентного кремния, обладающего ковалентными межатомными связями. Подобным образом объясняется собственная p-n -проводимость и в других материалах, например, в SiC. «р» означает “positive”- положительный носитель тока, дырка, «n» – “negative” - отрицательный носитель тока, электрон.
Очевидно, что при невысоких температурах количество таких событий остается небольшим, невелика и концентрация носителей тока. В идеальном кристалле, где отсутствуют центры захвата электронов и дырок (их называют уровнями прилипания и изображают дополнительными уровнями, свободными или занятыми, в запрещенной зоне), концентрации электронов и дырок равны друг другу и экспоненциально возрастают с температурой:
(2.3.10)
 |
Рис.2.3.5.Схема возникновения собственной проводимости в кремнии: а - атомно-электронный процесс, б - его зонное представление
Некоторый вклад в собственную проводимость полупроводников и диэлектриков могут внести и неравновесные носители, возникающие вследствие нетермических воздействий: под действием квантов света и других ионизирующих излучении, за счет прямого впрыскивания (инжекции) через электрические контакты, что особенно характерно для сильных электрических полей.
В материалах, не подвергнутых специальной высококачественной очистке, и в полупроводниковых материалах со строго контролируемым химическим составом определяющую роль в электропроводности играет примесная проводимость. Примеси донорного типа легко отдают в решетку (в зону проводимости) электроны, обеспечивая n -тип проводимости материала (рис.2.3.6,а,б,). Примеси акцепторного типа захватывают электроны атомов основного компонента решетки, в результате чего в валентной зоне образуются дырки и возникает р -тип проводимости (рис.2.3.6,в,г).
Схема возникновения примесной проводимости различного типа рассмотрена на примере легирования германия пятивалентной (донорной) или трехвалентной (акцепторной) примесями.
 |
В полупроводниках, применяемых в микроэлектронике, количество примесей обычно очень невелико, не более 10 -6 ат. %, поэтому и число носителей тока, называемых тоже основными, невелико. С превышением температуры порога истощения Ти (для германия Ти»30 К), все примесные уровни оказываются опустошенными (рис.2.3.7, область 1) и при дальнейшем возрастании температуры проводимость s может даже несколько уменьшаться за счет возрастания фонон-электронного взаимодействия.
Однако, начиная о температуры Тc (для германия Tc»450К) энергия теплового возбуждения решетки (в данном случае - германия) оказывается достаточной для прямого переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости, поэтому наблюдается экспоненциальный рост проводимости за счет массового рождения электронно-дырочных пар.
Особое место в ряду "классических" полупроводниковых материалов занимают аморфные полупроводники, применение которых резко увеличилось в последнее время. К этому классу веществ относят легированный аморфный гидрогенизированный кремний a-Si:H, полученный впервые в тлеющем разряде, аморфный карбид кремния, микрокристаллитный кремний с различными типами проводимости, а также сплавы традиционных в полупроводниковой технике составов, но применяемые в виде пленок с аморфной структурой: GaAs, InP, CdTe, CdSe, Cu2P, MoS2, WSe2, InSe, BeB4, BeB6, MgB6, MgP4, CaP3, FeP4, CrP4, YS2, TiS3, ZrSe3 и другие.
В этом списке приведены в порядке возрастания эффективности лишь материалы, используемые для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию. Активно развиваются и другие области применения - тонкопленочные транзисторы и интегральные схемы, оптические запоминающие и электрофотографические устройства, фотодатчики и пр.
Рис.2.3.7.Зависимость проводимости полупроводника от его обратной температуры: 1 – область примесной проводимости; 2 - область истощения примеси; 3 – область собственной проводимости
Использование тонких экспериментальных методов - оптически детектируемого магнитного резонанса, ЭПР, ЯМР, фотоакустической спектроскопии, пикосекундной спектроскопии, изотермической нестационарной емкостной спектроскопии (ИНЕС) - позволило получить данные об энергетическом спектре состояний в валентной и запрещенной зонах. На рис.2.3.8 в качестве примера приведены качественные и количественные данные для кремния в кристаллическом и аморфном состояниях (а) и для аморфного a-Si:H (б), легированного фосфором. Общим характерным признаком является возрастание, в сравнении с кристаллами, количества разрешенных энергетических уровней как в валентной, так и в запрещенной зонах, причем повышение концентрации примеси приводит к дополнительному обогащению запрещенной зоны разрешенными энергетическими уровнями. Этот эффект влияния примесей характерен не только для классических полупроводниковых материалов, но и для материалов, относимых при комнатных температурах к диэлектрикам.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.