Напівпровідник n і p - типів (домішкові напівпровідники) - студопедія
Рівняння щільності повного струму в напівпровіднику.
У чистих або власних напівпровідників концентрація електронів і дірок однакова. Електропровідність власного (бездомішкового) напівпровідника дуже низька.
У більшості електронних приладів застосовуються напівпровідники, що володіють так званої примесной провідності. Щоб перетворити власний напівпровідник в домішковий, необхідно ввести в його кристалічну решітку кілька спеціально підібраною хімічної добавки, тобто здійснити легування напівпровідника.
Домішки створюють ряд енергетичних рівнів в забороненій зоні. В результаті ймовірність утворення електронно-доручених пар при температурі збудження виявляється значно вищою, ніж у власному напівпровіднику.
У таких напівпровідниках електрична провідність здійснюється в основному за рахунок носіїв зарядів одного знака - електронів або дірок. Щоб забезпечити електронну або дірковий провідність, досить, як правило, ввести один атом відповідної домішки на атомів власного напівпровідника. Атоми домішки в кристалічній решітці германію або кремнію (4 група таблиці Менделєєва) зазвичай заміняють частина основних атомів у вузлах решітки. Результати такого заміщення залежать від матеріалу домішки.
Існують легирующие домішки двох видів: донори - п'ятивалентні елементи, такі як P, As, Sb (донор - дає, жертвує). Концентрацію донорів будемо позначати Nd. Акцептори - тривалентні елементи, такі як B, Al, In, Ga (акцептор - приймає, бере). Концентрацію акцепторів будемо позначати Na. На підставі цього розрізняють напівпровідники n-типу і p-типу.
Для отримання напівпровідника n-типу в кристал 4-х валентного кремнію вводять домішка донора (валентність - 5).
При цьому чотири валентних електрони домішки утворюють зв'язку з чотирма сусідніми атомами кремнію. П'ятий електрон домішки не бере участі в утворенні ковалентних зв'язків, легко може бути відірваний від свого атома і стати вільним. При кімнатній температурі практично всі електрони домішки, що не утворюють ковалентних зв'язків з атомами кремнію стають вільними і беруть участь в електричної провідності. Атом домішки, що втратив один електрон, стає нерухомим позитивним іоном.
Вільні електрони домішки додаються до вільних електронах напівпровідника, викликаним термогенерации, тому електропровідність напівпровідника стає переважно електронною.
У цих умовах електрони є основними носіями заряду, тому що n >> p, а дірки - неосновними носіями.
Приклад: в 1 (≈ 2 г) кремнію - 4,99 * атомів. Власна концентрація ni = pi - 2 * носить /. При введенні в кремній 2 * атомів фосфору (всі іонізовані), провідність буде складатися з суми електронів (2 * + 2 * ≈2 *), що збільшить провідність кремнію після легування в раз (100 тис. Разів). При цьому 2 * атомів фосфору, складають 0,5 * атомів кремнію, а значить 0,5 * 2 * г, що становить 1 * г = 0,1 * г = 0,1 мкг P (на 2 г Si) або 50мкг P на 1 кг Si.
Для отримання напівпровідника p-типу в кристал 4-х валентного кремнію вводять домішка акцептора (валентність 3).
При цьому три валентних електрони домішки утворюють ковалентні зв'язки з трьома з чотирьох сусідніх атомів кремнію. Одна з ковалентних зв'язків залишається незавершеною, утворюючи вакантне енергетичний стан. Атому домішки для заповнення вакансії потрібен додатковий електрон для освіти міцної восьміелектронной оболонки. Цей електрон відбирається від одного будь-якого атома кремнію.
Атом домішки, який відібрав електрон з ковалентного зв'язку решітки напівпровідника, стає нерухомим негативним іоном. На тому місці в основний решітці, звідки до атому домішки прийшов електрон, утворюється дірка. Вона додається до власних діркам напівпровідника, викликаним термогенерации, тому провідність напівпровідника стає переважно доречний.
У цих умовах дірки є основними носіями заряду, тому що p >> n, а електрони - неосновними носіями.
Для напівпровідника n-типу справедливо наступне нерівність:
Nn >> Pn, де N - концентрація електронів в напівпровіднику n-типу;
P - концентрація дірок в напівпровіднику n-типу
А для напівпровідника p-типу:
Pp >> Np, де P - концентрація дірок в напівпровіднику р-типу;
N - концентрація електронів в напівпровіднику р-типу.
Донорні домішки утворюють домішкові рівні Wд, розташовані в забороненій зоні поблизу зони провідності; акцепторні домішки утворюють домішкові рівні, розташовані в забороненій зоні поблизу валентної зони. Рівень фермі в домішкових напівпровідниках розташовується між рівнем Wд і дном зони провідності Wп, або між рівнем і стелею валентної зони Wв (див. Малюнок).
Електронно-дірковий перехід (p-n перехід).
Електричний перехід в напівпровідниках - це граничний шар між двома областями, фізичні характеристики яких суттєво різняться.
Робота більшості напівпровідникових приладів заснована на використанні одного або декількох переходів між двома областями напівпровідника з різним типом електропровідності.
P-n перехід утворюється при механічному поєднанні напівпровідників різного типу провідності.
У напівпровідниках з областями p- і n-типів, що утворюють перехід, можна виділити наступні просторові області:
- металургійний перехід (контакт, межа) - уявна площина, що розділяє p- і n-області;
- область переходу або область просторового заряду або збіднена область - область, що поширюється по обидві сторони металургійної кордону (має товщину від 1 мкм до 0,1 мкм в залежності від технології виробництва);
- нейтральні області (p- і n-області), що лежать між областю просторового заряду і межами напівпровідників n- і p-типів;
- омические контакти - висновки, якими закінчуються нейтральні області.
Розглянемо модель різкого і ступеневої p-n переходу, в якому концентрація домішкових атомів стрибком змінюється від значення Nd в області n до значення Na в області p.
Будемо також вважати, що перехід симетричний. умова якого Nd = Na. Якщо ж Nd ≠ Na - перехід є несиметричним.
При Nd> Nа перехід позначається;
при Nd Модель переходу будується на базі таких понять, як: - товщина області переходу - d; - максимальна напруженість внутрішнього електричного поля E; - щільність електричного заряду Q. Діаграма розподілу параметрів в p-n переході (симетричному) Nn = Pp. (Pn = Np); Nn >> Pn; Pp >> Np представлена на кресленні.
Діаграма розподілу параметрів в p-n переході:
1) розподіл концентрації донорів і акцепторів;
2) розподіл концентрації електронів і дірок;
3) розподіл контактної різниці потенціалів;
4) розподіл напруженості поля.
При виникненні контакту в різнотипних напівпровідниках починаються інтенсивні дифузії носіїв заряду. Оскільки концентрація електронів в n-області більше, ніж в p-області (Nn >> Np), то частина електронів дифундує з n-області в p-область. При цьому в p-області, у металургійній кордону, опиняться надлишкові електрони, які будуть займати вакантні ковалентні зв'язки, що зменшить в прикордонному шарі концентрацію дірок і створить шар негативних нерухомих зарядів (іонів) акцепторів.
Так як частина електронів з області n перейшла в область p, то в прикордонному шарі області n зменшиться концентрація електронів, і виявили не компенсувати позитивні іони атомів донорів.
Таким чином, навколо металургійної кордону утворюється подвійний шар протилежних за знаком нерухомих зарядів (іонів донорів і акцепторів). Саме цей шар і називають p-n переходом або замикаючим шаром; він визначає контактну різницю потенціалів (потенційний бар'єр), для Ge - (0,2 ÷ 0,3) В, для Si - (0,7 ÷ 0,8) В.
Такі переходи електронів триватимуть до тих пір, поки електричне поле потенційного бар'єру не виросте настільки, що енергії електронів вже виявиться недостатньо для подолання цього поля.
Потенційний бар'єр створює гальмівний поле для основних носіїв зарядів і перешкоджає переміщенню електронів в p-область, дірок - в n-область.
Для неосновних носіїв зарядів (дірок в n-області і електронів в p-області) поле потенційного бар'єру є пришвидшує. В результаті чого здійснюється перекидання неосновних носіїв заряду через p-n перехід (струм дрейфу). Неосновні носії заряду, переходячи через область переходу, нейтралізують частина іонів обох знаків, що призводить до зниження потенційного бар'єру і збільшення дифузійного струму основних носіїв. Т.ч. в p-n переході встановлюється динамічна рівновага.
Напрямок дифузійних струмів основних носіїв протилежно напрямку дрейфовий струмів неосновних носіїв через p-n перехід.
Оскільки в ізольованому напівпровіднику результуюча щільність струмів дорівнює нулю, то умова динамічної рівноваги може бути визначено:
Значення контактної різниці потенціалів визначається положенням рівня Фермі в напівпровідниках n- і p-типу:
Товщина p-n переходу для рівноважного стану може бути визначена:
,
де - відносна діелектрична проникність напівпровідника,
- діелектрична постійна повітря,
- абсолютна діелектрична проникність напівпровідника:
Напруженість електричного поля E в p-n переході визначається похідною від контактної різниці потенціалів, взятої по геометричній координаті х:
.
Порушення рівноважного стану p-n переходу може бути порушено при підключенні до омічним контактам зовнішньої напруги. Залежно від полярності і величини зовнішнього напруги характер струму через p-n перехід і його величина виявляються різними.