Электроника:Полупроводники/Теория твердотельных приборов/Электроны и «дырки»

Поддержать проект

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Электроны и «дырки»

Чистые полупроводники - относительно хорошие диэлектрики (если сравнить с металлами), хотя и далеко не так хороши, как настоящие диэлектрики вроде стекла. Чтобы быть полезным в полупроводниковых приложениях, собственный полупроводник (чистый нелегированный, т.е. без примесей, полупроводник) должен иметь не более одного примесного атома на 10 миллиардов атомов полупроводника. Это всё равно что крупинка соли в вагоне сахара. Нечистые, загрязнённые полупроводники значительно более проводящие, хотя и не так хорошо проводят, как металлы. Почему так происходит? Для ответа нужно взглянуть на электронную структуру подобных материалов.

Электронная структура

На рисунке 1.а ниже показаны четыре электрона в валентной оболочке полупроводника, образующие ковалентные связи с четырьмя другими атомами. Это уплощенная версия рисунка 9 из раздела 3 «Валентность и кристаллическая структура», которую проще нарисовать. Все электроны атома связаны четырьмя ковалентными связями, парами общих электронов. Электроны не могут свободно перемещаться по кристаллической решётке. Таким образом, собственные чистые полупроводники являются относительно хорошими диэлектриками по сравнению с металлами.

Рис. 1. (а) Собственный полупроводник - это диэлектрик, имеющий заполненную электронную оболочку. (б) Однако тепловая энергия может создать небольшое количество электронно-дырочных пар, что приведёт к слабой проводимости.

Тепловая энергия может иногда освобождать электрон из кристаллической решётки, как показано на рисунке выше 1.б. Этот электрон свободен для проводимости по кристаллической решётке. Когда электрон был освобождён, на месте его предыдущего местонахождения осталось пустое место с положительным зарядом в кристаллической решётке – так называемая «дырка». Это вакантное место жёстко не зафиксировано в решётке; но может свободно перемещаться. И свободный электрон, и «дырка» вносят вклад в проводимость кристаллической решётки. Электрон свободен только до той поры, пока не окажется в «дырке». Это называется рекомбинацией. Если к полупроводнику приложить внешнее электрическое поле, электроны и дырки будут проводить в противоположных направлениях. Повышение температуры увеличивает количество как электронов, так и дырок, уменьшая сопротивление. Для металлов, кстати, наблюдается противоположный эффект – сопротивление увеличивается с температурой из-за увеличения столкновений электронов с кристаллической решёткой. Количества электронов и дырок в собственном полупроводнике равны. Однако оба носителя не обязательно движутся с одинаковой скоростью при приложении внешнего поля. Другими словами, подвижность электронов и дырок неодинакова.

Полупроводниковые примеси

От самих чистых полупроводников не очень много проку. Тем не менее, полупроводники должны быть очищены до высокого уровня чистоты, чтобы затем в нужной консистенции добавить определённых примеси, чтобы достичь требуемых электрических характеристик.

В чистый полупроводниковый материал, где не более 1 атома примеси на 10 миллиардов, при необходимости добавляются определённые примеси, в количестве 1 часть на 10 миллионов, что позволяет увеличить количество переносчиков тока (электронов и «дырок»). Добавление нужной примеси в полупроводник известно как легирование. Легирование увеличивает проводимость полупроводника, он становится больше похож на металл, чем на диэлектрик.

Можно увеличить количество отрицательных носителей заряда в кристаллической решётке полупроводника путём легирования донором электронов, таким как фосфор. Доноры электронов, также известные как легирующие примеси N-типа, включают элементы из группы VA периодической таблицы: азот, фосфор, мышьяк и сурьму. Азот и фосфор являются примесями N-типа для алмаза. Фосфор, мышьяк и сурьма используются с кремнием.

Кристаллическая решётка на рисунке 2.б ниже содержит атомы, имеющие четыре электрона на внешней оболочке, образующие четыре ковалентные связи с соседними атомами. Это прогнозируемая кристаллическая решётка. Добавление атома фосфора с пятью электронами во внешнюю оболочку вводит дополнительный электрон в решётку по сравнению с атомом кремния. Пятивалентная примесь образует четыре ковалентные связи с четырьмя атомами кремния с четырьмя из пяти электронов, вписываясь в решётку с одним оставшимся электроном. Обратите внимание, что этот запасной электрон не сильно связан с решёткой, как электроны обычных атомов кремния. Он может свободно перемещаться по кристаллической решётке, не будучи привязанным к узлу решётки фосфора. Поскольку мы произвели допирование одной части фосфора на 10 миллионах частей кремния, было создано мало свободных электронов по сравнению с многочисленными атомами кремния. Тем не менее, было создано много электронов по сравнению с меньшим количеством электронно-дырочных пар в собственном кремнии. Приложение внешнего электрического поля создаёт сильную проводимость в легированном полупроводнике в зоне проводимости (выше валентной зоны). Более высокий уровень легирования обеспечивает ещё более сильную проводимость. Таким образом, плохо проводящий собственный полупроводник преобразован в хороший электрический проводник.

Рис. 2. (а) Электронная конфигурация внешней оболочки донорного фосфора N-типа, кремния и акцепторного бора P-типа. (б) Донорная примесь N-типа создаёт свободный электрон. (в) Акцепторная примесь P-типа создаёт «дырку», носитель положительного заряда.

Также можно ввести примесь без электрона по сравнению с кремнием, имеющую три электрона на валентной оболочке по сравнению с четырьмя для кремния. На рисунке 2.в выше остаётся пустое место, известное как «дырка», носитель положительного заряда. Атом бора пытается соединиться с четырьмя атомами кремния, но имеет только три электрона в валентной зоне. Пытаясь образовать четыре ковалентные связи, три электрона перемещаются, пытаясь образовать четыре связи. Это заставляет «дырку» перемещаться. Кроме того, трехвалентный атом может заимствовать электрон у соседнего (или несколько более удалённого) атома кремния с образованием четырёх ковалентных связей. Однако это оставляет атом кремния с дефицитом в один электрон. Другими словами, «дырка» переместилась к соседнему (или более удалённому) атому кремния. «Дырки» находятся в валентной зоне, на уровень ниже зоны проводимости. Допирование акцептором электронов, атом, который может принять электрон, создаёт недостаток электронов, равно как и избыток «дырок». Поскольку «дырки» являются носителями положительного заряда, примесь акцептора электронов также известна как примесь P-типа. Легирующая примесь P-типа покидает полупроводник, оставляя его с избытком «дырок», носителями положительного заряда. Элементы P-типа из группы IIIA периодической таблицы включают бор, алюминий, галлий и индий. Бор используется в качестве легирующей примеси P-типа для кремния и алмазных полупроводников, а индий используется с германием.

Если провести аналогию между «шариком в трубке» и электронной проводимостью, то на рисунке ниже можно увидеть, как движение дырок связано с движением электронов. Шарик в трубке представляет собой электрон в проводнике. Движение электронов слева направо, как в проводе или полупроводнике N-типа, объясняется тем, что электрон, входящий в «трубку» слева, выталкивает крайний электрон справа. Проводимость электронов N-типа происходит в зоне проводимости. Сравните это с движением «дырки» в валентной зоне.

Рис. 3. Аналогия с шариком в трубке: (а) электроны движутся прямо в зоне проводимости, когда электроны входят в «трубку»; (б) «дырка» движется вправо в валентной зоне по мере того, как электроны движутся влево.

Чтобы «дырка» вошло в левую часть рисунка 3.б, нужно избавиться от электрона. При перемещении «дырки» слева направо электрон должен перемещаться справа налево. Первый электрон выбрасывается из левого конца трубки, так что «дырка» может перемещаться в трубке вправо. Электрон движется в направлении, противоположном положительной «дырке». По мере того, как «дырка» перемещается дальше вправо, электроны должны перемещаться влево, чтобы приспособиться к движению «дырки». «Дырка» – это отсутствие электрона в валентной зоне из-за легирования P-типа. Она имеет локализованный положительный заряд. Чтобы переместить «дырку» в одном направлении, валентные электроны движутся в противоположном.

Электронный поток в полупроводнике N-типа похож на движение электронов в металлической проволоке. Атомы примеси N-типа дают электроны, доступные для проводимости. Эти электроны из-за примеси известны как основные носители, поскольку они составляют большинство по сравнению с очень немногими тепловыми «дырками». Если электрическое поле приложено к полупроводниковому стержню N-типа на трёх рисунках ниже (а), электроны входят в отрицательный (левый) конец стержня, проходят по кристаллической решётке и выходят справа к (+) клемме батареи.

Рис. 4. (а) Полупроводник N-типа с электронами, движущимися слева направо через кристаллическую решётку. (б) Полупроводник P-типа с «дырками», движущимися слева направо, что соответствует электронам, движущимся в противоположном направлении.

Течение тока в полупроводнике P-типа объяснить немного сложнее. Примесь P-типа, акцептор электронов, создаёт локализованные области положительного заряда, известные как «дырки». Основным носителем в полупроводнике P-типа является именно «дырка». В то время как «дырки» образуются в узлах трёхвалентных атомов примеси, они могут перемещаться по полупроводнику. Обратите внимание, что на рисунке 4 батарея на (а) противоположно развёрнута по сравнению с (б). Положительный полюс аккумуляторной батареи подключается с левой стороны полупроводника P-типа. Поток электронов выходит из отрицательной клеммы батареи, заходит с правой стороны в полупроводник P-типа, проходит через него, возвращаясь к положительной клемме батареи. Электрон, покидающий положительный (левый) конец полупроводниковой шины чтобы попасть в положительный вывод аккумуляторной батареи, оставляет «дырку» в полупроводнике, которая перемещается вправо. «Дырки» пересекают кристаллическую решётку слева направо. Когда «дырка» добирается до (-) стороны полупроводника, электрон, исходящий из батареи, соединяется с «дыркой», нейтрализуя её. Это даёт возможность для новой «дырки» двигаться от положительной стороны полупроводника к отрицательной. Имейте в виду, что при движении «дырок» слева направо именно электроны, движущиеся во встречном направлении, ответственны за кажущееся движение «дырок».

Элементы, используемые для производства полупроводников

Элементы, используемые для производства полупроводников, приведены на рисунке 5 ниже. Самый первый используемый в качестве полупроводника материал группы IVA (14), германий, на сегодняшний день используется редко. 90% промышленного производства всех полупроводников – это полупроводники на основе кремния. Полупроводники на основе углерода (в виде алмаза) – это в настоящее время научные исследования и перспективные разработки. Также на рисунке не показаны составные полупроводники, в число которых входит кремний-германий (тонкие слои германия на кремниевых пластинах), карбид кремния и соединения III-V групп, такие как арсенид галлия. Полупроводниковые соединения III-VI групп включают AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, Al_xGa_1-xAs и In_xGa_1-x. Столбцы II и VI периодической таблицы, не показанные на рисунке, также образуют составные полупроводники.

Рис. 5. Легирующие примеси P-типа группы IIIA, основные полупроводниковые материалы группы IV и легирующие примеси N-типа группы VA.

Основная причина включения групп IIIA и VA в рисунок 5 – показать легирующие примеси, используемые с полупроводниками группы IVA. Элементы группы IIIA являются акцепторами, легирующими добавками P-типа, которые принимают электрон, оставляющиё «дырку» в кристаллической решётке, положительный носитель. Бор – это легирующая примесь P-типа для алмаза и наиболее распространённая легирующая примесь для кремниевых полупроводников. Индий является легирующей примесью Р-типа для германия. Элементы группы VA являются донорами, легирующими примесями N-типа, дающими свободный электрон. Азот и фосфор являются подходящими примесями N-типа для алмаза. Фосфор и мышьяк являются наиболее часто используемыми легирующими примесями N-типа для кремния; хотя можно использовать и сурьму.

Итог

• Собственные полупроводники (те, что содержат примеси не более 1 части на 10 миллиардов), являются плохими проводниками.
• Полупроводник N-типа легирован пятивалентной примесью для создания свободных электронов. Такой материал токопроводящий. Основной носитель – электрон.
• Полупроводник P-типа, легированный трёхвалентной примесью, имеет большое количество свободных «дырок». Это носители положительного заряда. Материал P-типа является проводящим. Основной носитель – «дырка».
• Большинство полупроводников основано на элементах из группы IVA периодической таблицы, кремний является наиболее распространённым. Германий сейчас используется редко. Углерод (в виде алмаза) – пока что в стадии перспективных разработок.
• Широко используются сложные (составные) полупроводники, такие как карбид кремния (группа IVA) и арсенид галлия (группа III-V).