Тема 4.1 Основные свойства полупроводниковых материалов. Полупроводниковые материалы и их параметры

Полупроводники занимают промежуточное место по электрической проводимости между металлическими проводниками и диэлектриками. Электрическое сопротивление металлических проводников с повышением температуры увеличивается, а полупроводников и диэлектриков уменьшается.

Проводники имеют огромное количество свободных электронов, направленное перемещение которых является током проводимости, а в полупроводниках свободных электронов немного. Это объясняется тем, что валентные электроны в полупроводниках связаны со своими атомами, т. е. не являются свободными. Ток в полупроводниках может возникать и изменяться в широких пределах только под влиянием внешних воздействий:
нагревания, облучения или при введении некоторых примесей. Это увеличивает энергию валентных электронов, позволяет им отрываться от своих атомов и под действием приложенного напряжения направленно перемещаться, т. е. становиться носителями тока. Чем выше температура полупроводника или чем интенсивнее его облучение, тем больше в нем свободных электронов и тем больше ток.

Атомы полупроводника, потерявшие электроны, превращаются в положительно заряженные ионы, которые не могут перемещаться. Место на внешней оболочке атома, покинутое электроном, называют дыркой. Эту дырку (вакансию) может занять другой электрон, покинувший свое место в соседнем атоме. В результате на оболочке соседнего атома тоже появится дырка, т. е. он превратится в положительно заряженный ион.

Если к полупроводнику приложить электрическое напряжение, то электроны будут перемещаться от одних атомов к другим в одном направлении, а дырки — в противоположном. Дырку принято считать положительно заряженной частицей с зарядом, равным заряду
электрона. Кажущееся перемещение дырок в направлении, противоположном перемещению электронов, называют дырочным током.

Электропроводности полупроводников, обусловленные движением электронов и дырок, называют соответственно электронной и дырочной. В чистом полупроводнике концентрации электронов Nэ и дырок Nд одинаковы, и электропроводность такого полупроводника называют собственной (рис. 32).

В этом случае общий ток I складывается из электронного Iэ и дырочного Iд токов:

Но так как подвижность электронов больше, чем подвижность дырок, электронный ток больше дырочного.

Для создания полупроводниковых приборов (например, выпрямительных диодов) требуются полупроводниковые материалы, обладающие преимущественно электронной или дырочной электропроводностью. Для получения таких материалов в тщательно очищенный полупроводник вводят соответствующую легирующую примесь.

Легирующие примеси, валентность которых выше валентности полупроводника, снабжают его свободными электронами и называются донорными, или донорами. Примеси, имеющие меньшую валентность, чем
полупроводник, обладают способностью захватывать и удерживать его электроны, на месте которых образуются дырки. Такие примеси называют акцепторными, или акцепторами.

Чтобы получить полупроводник, обладающий только электронной электропроводностью, в него вводят атомы вещества, валентность которого на единицу больше валентности атомов основного полупроводника. Так, в
германий Ge, состоящий из четырех валентных атомов, вводят донорную примесь — сурьму Sb или фосфор Р, состоящую из пятивалентных атомов (рис. 33).

Рисунок 34 Схема движения электронов и дырок в полупроводнике с донорной примесью

Как видно из рис. 34, основными носителями заряда в полупроводнике с донорной примесью являются электроны, составляющие примесную электропроводность. Две дырки и соответствующие им два электрона образуются в результате ионизации атомов германия. Эти носители заряда обусловливают собственную электропроводность полупроводника. Общий ток в полупроводнике равен сумме электронного и дырочного токов, но
электронный ток во много раз больше дырочного. Такой полупроводник называют электронным, или n-типа.

При введении в германий акцепторной примеси, например бора В, каждый из ее атомов установит три ковалентные связи с соседними атомами германия. Но так как у бора всего три валентных электрона, они могут установить связи только с тремя ближайшими атомами германия. Для связи с четвертым атомом германия атом бора электрона не имеет. Таким образом, несколько атомов германия будут иметь по одному электрону без ковалентной связи. При этом достаточно небольших внешних энергетических воздействий, чтобы эти электроны покинули свои места, образовав дырки у атома германия (рис. 35).

Рисунок 35 Кристаллическая решетка германия с введенной в него акцепторной примесью (бором)

Освободившиеся электроны 2, 4 и 6 атомов германия присоединятся к атомам бора и поэтому не могут создать ток в полупроводнике. Образовавшиеся же у атомов германия дырки 1,3 к 5 позволяют перейти на них электронам от соседних атомов, где, в свою очередь, возникнут новые дырки.

Таким образом, каждая возникающая положительно заряженная дырка будет переходить от одного атома германия к другому, от него — к следующему и т. д. Под действием приложенного напряжения это движение
дырок упорядочится, т. е. в полупроводнике возникнет примесный дырочный ток. Кроме того, в полупроводнике будет небольшое количество пар свободных электронов и дырок, обусловленных его собственной электропроводностью. Общий ток в полупроводнике по-прежнему будет равен сумме электронного и дырочного токов. Такой полупроводник называют дырочным, или р-типа.

Рисунок 36 Схема движения дырок и электронов в полупроводнике с акцепторной примесью

Из схемы движения дырок и электронов в полупроводнике с акцепторной примесью (рис. 36) видно, что положительно заряженных частиц (дырок) в нем значительно больше, чем электронов. Таким образом, ясно, что примеси значительно увеличивают электропроводность полупроводников.

Под действием приложенного напряжения электроны и дырки при перемещении в полупроводнике, встречая различного рода препятствия, теряют часть энергии и отклоняются от своего пути, т. е. происходит рассеяние носителей заряда, вызываемое, главным образом, различными загрязняющими примесями. Чем чище полупроводник, тем меньше рассеяние носителей заряда и выше подвижность электронов и дырок, а следовательно, большей удельной проводимостью у обладает
полупроводник.

С ростом температуры проводимость всех полупроводников увеличивается (рис. 37).

Рисунок 37 Зависимость удельной проводимости полупроводника от температуры при малой (1) и большой (2) концентрациях легирующей примеси

Рисунок 38 Зависимость тока и сопротивления полупроводника от приложенного напряжения

Происходит это тем интенсивней, чем больше донорной или акцепторной
примеси введено в полупроводник. До температуры Т1 в полупроводнике наблюдается примесная электропроводность, обусловленная движением избыточных зарядов. В интервале температур Т1— Т2 проводимость
полупроводника несколько уменьшается (кривая 1). Это вызвано интенсивными тепловыми колебаниями его атомов, мешающими перемещению свободных электронов или дырок. При дальнейшем же росте
температуры в полупроводнике развивается собственная электропроводность. В связи с этим образуется большое количество новых электронов и дырок, направленное перемещение которых создает все возрастающий ток в полупроводнике, и его удельная проводимость
резко возрастает.

Кривая 2 не показывает уменьшения удельной проводимости высоколегированного полупроводника в интервале температур Т1 — Т2. Это объясняется большим количеством поступающих в полупроводник примесных электронов и дырок. Участие примесных носителей заряда вполне компенсирует возрастание сопротивления полупроводника в этом интервале температур.

При температуре абсолютного нуля (— 273 °С) электроны не обладают подвижностью, т. е. прочно связаны со своими атомами, вследствие чего полупроводники становятся диэлектриками.

Характерным свойством полупроводников является нелинейность зависимости их тока от приложенного напряжения (рис. 38), т. е. ток растет значительно быстрее, чем напряжение. Одновременно с ростом тока
резко уменьшается электрическое сопротивление полупроводника.

Это свойство используют в вентильных полупроводпиковых разрядниках, присоединяя их к проводам линии электропередачи для защиты от больших токов при ударе молнии. При нормальном напряжении разрядник, обладая очень большим сопротивлением, не пропускает ток с линии электропередачи на землю. При ударе молнии провода находятся под воздействием очень большого напряжения, электрическое сопротивление вентильного разрядника резко уменьшается и он отводит большой ток с линии на землю. В результате напряжение линии электропередачи снижается до нормального значения. Большое сопротивление разрядники восстанавливается и он снова не пропускает ток с линии на землю.

Экспериментально определить характер электропроводности можно двумя способами: с помощью эффекта Холла и термическим способом. Сущность эффекта Холла заключается в том, что при воздействии поперечного постоянного магнитного поля на пластинку материала, вдоль которой перемещаются носители заряда, происходит смещение так, что плотность носителей в поперечном cечении становится неравномерной. В результате этого между боковыми гранями пластинки возникает некоторая разность потенциалов — поперечная э. д. с. Холла. В зависимости от типа электропроводности меняется направление поперечной э. д. с. (рис. 39).

Рисунок 39 Метод определения типа электропроводности полупроводников при помощи эффекта Холла

Термический способ, заключается в следующем, нагревании конца пластинки из полупроводникового материала с электропроводностью типа р горячий конец с температурой t_г будет заряжен положительно по сравнению с холодным концом, имеющим температуру t_x. При соединении обоих концов проводниковой цепью в ней обнаружится ток соответствующего направления. При электропроводности пластинки типа n горячий конец будет заряжен отрицательно по сравнению с холодным концом, что отразится на направлении тока в электрической цепи, соединяющей оба конца (рис. 40).

Рисунок 40 Термический метод определения типа электропроводности полупроводников

«Полупроводниковые материалы»

Среди большого количества полупроводниковых материалов неорганического и органического происхождения монокристаллической и поликристаллической структуры в электротехнике используют в основном
германий, кремний, селен и карбид кремния, из которых изготовляют полупроводниковые приборы.

Кремний и германий относятся к алмазоподобным полупроводникам, так как они имеют кристаллическую структуру алмаза (рис. 41) —куб, в вершинах и в центрах граней которого расположены атомы углерода. Кроме того, атомы углерода находятся в центрах четырех (из восьми) малых кубов
(октантов), на которые делится большой куб.

Рисунок 41 Кристаллическая структура алмазного типа

Германий Ge—элемент четвертой группы периодической системы Менделеева. Исходными сырьевыми материалами для получения германия служат цинковые и сульфидные руды. В результате сложных химических
процессов получают слиток германия, который еще нельзя применять для изготовления полупроводниковых приборов, так как он содержит примеси и не является монокристаллом. Сначала этот слиток методом зонной плавки освобождают от примесей, которые в очищенном германии должны составлять не более 5 ·10 - 9 %.

Чтобы получить монокристаллический германий, его расплавляют в вакууме или атмосфере инертного газа. Для получения германия электропроводностью n- или p типа в расплав очищенного германия вводят соответственно донорную или акцепторную примесь. Затем из расплава вытягивают с определенной скоростью чистый монокристаллический германий в виде сплошного цилиндра заданного диаметра.

Германий имеет ярко-серебристый цвет, его плотность 5322 кг/м3, а температура плавления 937,2 °С. Все сорта германия обладают большой твердостью и хрупкостью и легко увлажняются.

Германий широко применяют для изготовления диодов и фотоэлементов.

Кремний Si является элементом четвертой группы периодической системы Менделеева. Широко распространенный в природе в виде кремнезема Si02 служит одним из исходных веществ для получения технических сортов кремния.

В результате очистки слитков кремния методом зонной плавки получают в зависимости от введенных легирующих примесей монокристаллический кремний электропроводностью n- или р-типа. В очищенном кремнии примеси должны составлять не более 10 -11 %.

Образцы полированного кремния имеют цвет стали. Кремний, как и германий, представляет собой хрупкий материал. Основные характеристики очищенного нелегированного кремния: плотность 2320 кг/м3, темпера-
тура плавления 1420 °С.

Кремний применяют более широко, чем германий, так как верхний предел рабочей температуры полупроводниковых приборов на его основе 150 — 200 °С, а на основе германия 70—80 °С. Кремний используют в производстве интегральных микросхем.

Селен Se — элемент шестой группы периодической системы Менделеева. Исходными материалами для его получения являются остатки, образующиеся при электролитическом рафинировании меди. Твердый селен может иметь аморфное или кристаллическое строение. Черный аморфный селен, получаемый из очищенного расплавленного селена при быстром охлаждении его до комнатной температуры, представляет собой диэлектрик с удельным сопротивлением р=10-11 Ом-м.

Серый кристаллический селен получают из расплавленного аморфного селена при медленном охлаждении его от температуры плавления (220 °С) до комнатной. Кристаллический селен является примесным полупроводником р-типа, имеющим поликристаллическую структуру. Основные характеристики селена: плотность 4800 кг/м3, температура плавления 217 °С, Интервал рабочих температур селена в выпрямителях от — 60 до 75 °С.

Селен применяют для изготовления селеновых выпрямителей, фотоэлементов и фоторезисторов.

Карбид кремния SiC представляет собой хрупкий материал поликристаллического строения с ярко выраженной нелинейной зависимостью между током и напряжением. Карбид кремния образуется в результате химического соединения кремния и углерода. Исходными материалами для его получения являются чистый кварцевый песок и кокс. Чтобы получить примесную электрическую проводимость того или другого типа, в исходный состав (шихту) вводят примеси — фосфор, сурьму, висмут, магний, алюминий и др.
Реакция образования карбида кремния ведется при конечной температуре приблизительно 2000 °С.

Карбид кремния, легированный фосфором, сурьмой или висмутом, имеет темно-зеленую окраску и обладает электропроводностью n-типа, а легированный галлием, алюминием или бором, имеет темно-фиолетовую окраску и обладает электрической проводимостью р-типа. Основные характеристики карбида кремния: плотность 3200 кг/м3, температура плавления 2700 °С. Как и кристаллический селен, карбид кремния является примесным полупроводником, но при температуре 1400 °С и выше у него
появляется собственная электропроводность.

В основном наиболее чистые сорта карбида кремния применяют в производстве варисторов — резисторов, обладающих нелинейной симметричной вольт-амперной характеристикой и работающих в интервале температур от —50 до +80 °С. Варисторы используют в устройствах автоматического регулирования.

Из поликристаллического карбида кремния методом возгонки в инертном газе получают монокристаллы карбида кремния, отличающиеся химической чистотой, которые широко используют для изготовления диодов и транзисторов на рабочие температуры до 700 °С, а также для производства светодиодов.