Лекция №16

Электропроводность полупроводников. Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность, то есть способность проводить электрический ток под воздействием постоянного (не изменяющегося во времени) электрического напряжения. Если полупроводник находится в электрическом поле с напряженностью Е, то имеющиеся в нем свободные носители заряда приобретают под действием этого поля направленное движение. Такое упорядоченное движение электрических зарядов и есть электрический ток.

СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ЧИСТОГО ГЕРМАНИЯ.

Компенсированные полупроводники.Полупроводник с акцепторными примесями называется дырочным полупроводником или р-типа. В полупроводниках могут одновременно содержаться донорная и акцепторная примеси. Такие полупроводники называются компенсированными.

Германий. Содержание германия в земной коре невелико, около 7·10-4%. В результате химической переработки исходного сырья образуется тетрахлорид германия, который путем дальнейших операций переводят в диоксид германия (GеО2) — порошок белого цвета. Диоксид германия восстанавливается в водородной печи при температуре 650—700°С до элементарного германия, представляющего собой серый порошок. В некоторых случаях порошок германия получают непосредственно из GеС14 путем разложения этого соединения при высокой температуре в атмосфере паров цинка. Порошок германия подвергают травлению в смеси кислот и сплавляют в слитки. Слитки германия используют в качестве исходного материала для получения особо чистого германия методом зонной плавки или же для непосредственного получения монокристаллов методом вытягивания из расплава (метод Чохральского).

Германий, использующийся в производстве полупроводниковых приборов, подразделяется на марки, отличающиеся легирующими примесями, значением удельного сопротивления и диффузионной длины не основных носителей заряда. Для изготовления полупроводниковых приборов слитки германия распиливаются на пластинки, поверхность которых протравливается для устранения дефектов обработки.

При плавлении удельная проводимость германия возрастает скачком примерно в 13 раз. При дальнейшем нагреве удельная проводимость сначала почти не изменяется, а начиная от температуры 1100°С — падает. В момент плавления германия происходит увеличение его плотности на 5—6%.

Германий применяется для изготовления выпрямителей переменного тока различной мощности, транзисторов разных типов. Из него изготовляются преобразователи Холла и другие, применяемые для измерения напряженности магнитного поля, токов и мощности и т. д. Оптические свойства германия позволяют использовать его для фототранзисторов и фоторезисторов, оптических линз с большой светосилой (для инфракрасных лучей), оптических фильтров, модуляторов света и коротких радиоволн. Внутренний фотоэффект в германии наблюдается и при поглощении средних и быстрых электронов, а также при торможении элементарных частиц больших масс. Германиевые приборы должны быть защищены от действия влажности воздуха.

Кремний, как и германий, относится к ковалентным кристаллам четвертой группы таблицы Менделееева и имеет кубическую решетку типа алмаза. Это один из наиболее распространенных элементов земной коры (около 30%). Технический кремний (около одного процента примесей) получают в электрических печах восстановлением его оксидов углеродсодержащими веществами. Затем химическим путем образуют легколетучие хлористые соединения кремния, например трихлорсилан (SiHС13), представляющий собой жидкость с температурой кипения около 32°С. После тщательной дополнительной очистки трихлорсилан с потоком водорода поступает в камеру восстановления, в которой на нагретые электрическим током до 1250°С кремниевые стержни — затравки оседает чистый поликристаллический кремний. Процесс ведут до получения нужного диаметра стержня (в настоящее время до 300 мм). Выращивание объемных монокристаллов кремния осуществляют методами вытягивания из расплава и бестигельной зонной плавки. При этом имеются трудности. Температура плавления кремния значительно выше температуры плавления германия и близка к температуре размягчения труб, изготовленных из кварцевого стекла. Из этих труб в стержень может попасть кислород и другие примеси. Кроме того, кремний реагирует с углеродом, а потому зонную плавку стержня приходится вести без графитовой лодочки и не в кварцевых трубах, а в камерах из тугоплавких металлов. При вертикальном расположении стержня в процессе бестигельной зонной плавки узкая расплавленная зона удерживается вследствие большого поверхностного натяжения расплавленного кремния и малой плотности этого вещества. Коэффициент диффузии различных примесей в кремнии возрастает с повышением температуры. Электропроводность кремния, как и германия, очень сильно зависит от концентрации примесей. Температурная зависимость удельного сопротивления для кремния n-типа аналогична кремнию р-типа.

В настоящее время кремний является основным материалом для изготовления полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, фотоэлементов, тензопреобразователей и твердых схем микроэлектроники. При использовании кремния верхний предел рабочей температуры приборов может составлять в зависимости от степени очистки материала 120—200 °С, что значительно выше, чем для германия.

Селен — элемент шестой группы таблицы Менделеева. Его получают на заводах при электрической очистке меди. Селен существует в нескольких разновидностях — как аморфных, так и кристаллических, разных цветов.

Удельное сопротивление селена изменяется в очень широких пределах 1—1011 Ом·м и зависит от рода и концентрации примесей, температуры, освещенности. Селен обычно является дырочным полупроводником.

Примеси галогенов (хлор, бром, йод) уменьшают удельное сопротивление селена, если концентрация этих примесей меньше 5·10-4 % по массе. При дальнейшем увеличении содержания этих примесей сопротивление возрастает. Примеси теллура, ртути и ряда других металлов увеличивают сопротивление технически чистых образцов селена. Из селена изготовлялись фотоэлементы и выпрямители. В настоящее время применение селена существенно сократилось.

В собственном полупроводнике носителями заряда являются свободные электроны и дырки, концентрации которых одинаковы. При наличии внешнего электрического поля плотность электронной составляющей тока, который протекает через собственный полупроводник, то есть число электрических зарядов, переносимых за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению электрического поля,

, (3-1)

где q =1,6·10^-19 - заряд электрона, Кл; n - концентрация электронов зоны проводимости, м^-3; v_n - средняя скорость упорядоченного движения электронов, возникшая под действием электрического поля (дрейфовая скорость), м/с.

Обычно скорость v_n пропорциональна напряженности поля:

, (3-2)

где m_n - коэффициент пропорциональности, называемый подвижностью, м²/(В·с).

С учетом формулы (3-2) уравнение (3-1) можно представлять в виде закона Ома в дифференциальной форме:

,

где - удельная электрическая проводимость полупроводника, обусловленная электронами, См/м; r=1/g - удельное электрическое сопротивление, Ом·м.

Аналогично, дырочная составляющая плотности тока для собственного полупроводника:

,

где p - концентрация дырок валентной зоны, м^-3; _p - подвижность дырок, м²/(В·с). Удельная электрическая проводимость полупроводника, обусловленная дырками

.

Суммарная плотность тока через собственный полупроводник

.

Удельная электрическая проводимость собственного полупроводника

.

В примесном полупроводнике при комнатной температуре примесь полностью ионизирована и, следовательно, проводимость определяется свободными подвижными носителями заряда, электронами и дырками в n- и р- полупроводниках соответственно:

,

,

где n_n и р_р - концентрация основных носителей заряда электронов и дырок соответственно.

Так как концентрация и подвижность свободных носителей заряда зависят от температуры, то и удельная проводимость также зависит от температуры.

Фотопроводимость полупроводников. Перевод электрона в свободное состояние или образование дырки может осуществляться также под воздействием света. Энергия падающего на полупроводник света передается электронам. При этом энергия, передаваемая каждому электрону, зависит от часто­ты световых колебаний и не зависит от яркости света (силы света). С увеличением яркости света возрастает число поглощающих свет электронов, но не энергия, получаемая каждым из них. Энергия фотона

,

где h - постоянная Планка; v - частота световых колебаний; , -длина волны падающего света, выражаемая в микрометрах.

Фотопроводимость полупроводника определяется как разность удельной электропроводности при освещении и в темноте:

.

Темновая электропроводность . Электропроводность полупроводника при действии на него света , где n - дополнительное число электронов, образовавшихся в по­лупроводнике вследствие облучения его светом. Таким образом, фотопроводимость .

Освобожденные светом электроны находятся в зоне проводи­мости очень короткое время (10^-3...10^-7 с). При непре­рывном освещении полупроводника устанавливается динамичес­кое равновесие между образующимися дополнительными (нерав­новесными) носителями и уходящими на нижние уровни, т.е. устанавливается динамическое равновесие между процессами ге­нерации носителей заряда и их рекомбинацией.

С понижением температуры уменьшается темновая проводимость, служащая фоном, на котором появляется фотопроводимость, поэтому значение фотопроводимости возрастает.