...

1. Загальні положення

Речовини, які нас оточують, складаються з атомів. Атом має планетарну структуру – у центрі знаходиться позитивно заряджене ядро, навколо якого по орбітах обертаються електрони. Електрон є носієм елементарного негативного заряду е = 1,6·10^–19 Кл, маса якого m = 9,1·10^–31 кг.

Атоми різних хімічних елементів різняться числом протонів у ядрі й електронів на орбітах. У звичайному стані всі речовини мають нейтральний заряд, тому що заряд електронів у них дорівнюється по величині заряду протонів. Так, атом першого в періодичній системі елемента водню (рис. 1.1) має один протон (+) і один електрон (–). Наступний по складності – атом гелію. У його ядрі вже два протони, а на орбітах – два електрони і т.д.

Рис. 1.1. Атом водороду

Електрони, що перебувають на зовнішніх орбітах, у зв'язку з тим, що слабкіше пов'язані з ядром, можуть вступати у взаємодію з іншими атомами. Такі електрони прийнято називати валентними – з їхньою допомогою атоми з'єднуються один з одним, утворюючи молекули (рис. 1.2, а). Саме молекули задають властивість речовини – буде воно рідким або твердим, буде воно реагувати з кислотами чи ні.

Рис. 1.2. Молекула водороду

При утворенні молекул між окремими атомами діє ковалентний зв'язок, який утворюється за рахунок перекриття пари валентних електронних хмар атомів, що входять у молекулу. Іншими словами ковалентний зв'язок – це коли два атоми діляться електронами й утримуються разом (рис. 1.2, а). Валентні електрони є загальними для всіх атомів молекули, утворюючи загальну електронну хмару навколо ядер, при цьому кожний атом залишається нейтральним. Схематично такий зв'язок зображується подвійною лінією (рис. 1.2, б).

Як було відзначено раніше, будь-яка речовина має нейтральний заряд. Якщо яким-небудь чином атом втратить хоча б один з електронів на зовнішній орбіті, то загальний заряд електронів виявиться меншим, ніж загальний заряд протонів. Такий атом у цілому буде мати позитивний заряд і називається позитивним іоном. В іншому випадку атом речовини може «захопити» електрони в сусіднього атома – загальний заряд електронів виявиться більшим, ніж загальний за­ряд протонів. Такий атом у цілому буде мати негативний заряд і називається негативним іоном.

В основі принципу роботи більшості електронних елементів лежать явища електризації тіл і взаємодії заряджених тіл. Явище електризації тіл полягає у втраті або придбанні тілами деякої кількості електронів, при цьому електричні заряди не створюються й не зникають, вони тільки переходять від одного тіла до іншого. Явище взаємодії заряджених тіл полягає в тому, що між зарядженими тілами існують сили тяжіння або відштовхування: тіла, що мають заряд одного знака, відштовхуються; а тіла, що мають заряд різного знака, притягаються.

2. Напівпровідникові матеріали

До діелектриків відносяться речовини, які мають малу кількість вільних зарядів. Питомий електричний опір діелектриків становить більше 10⁸ Ом∙м. Електричний струм через діелектрик практично не протікає. Ці речовини в техніці, як правило, використовують у якості ізоляторів – ебоніт, пластик, поліетилен, склотекстоліт, лакотканина та ін.

Провідники – речовини, що мають велику кількість вільних зарядів. Зв'язок між ядром і електронами атома речовини, що перебувають на зовнішніх орбітах неміцний і може бути легко порушеним, наприклад, внаслідок зовнішнього електричного поля. Питомий електричний опір провідників малий і для металів становить менше 10^–6 Ом∙м. Речовини, що відносяться до провідників, добре проводять електричний струм – це залізо, алюміній, мідь, срібло, золото й ін.

Напівпровідники займають по електропровідності проміжне положення між металами (провідниками електричного струму) і діелектриками. Питомий електричний опір напівпровідників становить порядку 10^–5…10⁷ Ом∙м. Напівпровідники від металів відрізняють за рядом ознак:
- питомий опір у напівпровідників при звичайних умовах набагато більше, ніж у металів;
- питомий опір чистих напівпровідників зменшується з ростом температури (у металів він навпаки зростає);
- при висвітленні напівпровідників їх опір значно зменшується (на опір металів світло майже не впливає);
- незначна кількість домішок значно впливає на опір напівпровідників.

Саме речовини, що ставляться до групи напівпровідників, використовуються при виготовленні електронних компонентів – діодів, транзисторів і інших напівпровідникових приладів, а також інтегральних мікросхем (ІМС). Найбільш зручними для виготовлення напівпровідникових приладів є германій (Ge) і кремній (Si), а також деякі хімічні сполуки. Однак останнім часом найбільш широко застосовується кремній, тому надалі в більшості прикладів і ілюстраціях будуть використовуватися його електрофізичні параметри.

Вміст кремнію в земній корі становить 27,6…29,5 % від її маси. Таким чином, за поширеністю кремній посідає друге місце після кисню. Кремній має 14 електронів, з яких 10 перебувають на внутрішніх орбітах, а 4 – на зовнішніх, тобто у валентній зоні кожного атома кремнію перебуває по чотири електрони.

Схематичне зображення кристала кремнію на площині показане на рис. 1.3. Кожний атом кремнію оточений чотирма сусідніми атомами, з якими він зв'язаний міцними ковалентними зв'язками. У результаті валентна оболонка кожного атома кремнію має максимально можливу кількість електронів – вісім, тобто виявляється повністю заповненою. Вільних електронів, які могли б брати участь у переносі зарядів, немає. У такий спосіб чисті напівпровідники при абсолютній температурі Т = 0ºК є ідеальними діелектриками.

Рис. 1.3. Структура зв'язків атомів кремнію в кристалічній решітці

Однак у нормальних умовах, при температурі T = 15…25ºC, деякі валентні електрони кристалічної решітці одержують енергію, достатню для розриву ковалентного зв'язку, тобто для переходу електрона з валентної зони в зону провідності. Внаслідок розриву одного валентного зв'язку електрон відривається від атома, один зв'язок в атомі виявляється незаповненим (вільним). Незаповнений електронний зв'язок у кристалічній решітці напівпровідника називається діркою – вона має позитивний заряд, по абсолютній величині рівний заряду електрона, і, отже, є носієм позитивного заряду.

Дірка може бути заповнена електроном, який відірвався від сусіднього атома. Процес заповнення дірки електроном називається рекомбінацією. При цьому в сусідньому атомі на місці збіглого електрона утворюється нова дірка. Таким чином, у напівпровіднику є два носії заряду: електрон і дірка.

У звичайних умовах (Т = 15…25ºC) процес виникнення пари електрон-дірка й рекомбінація відбуваються безупинно, при якій у чистому напівпровіднику концентрація електронів дорівнює концентрації дірок.

Провідність чистого напівпровідника, яка обумовлена електронами й дірками, що виникають тільки в результаті розриву парноелектронних зв'язків, називається власною провідністю.

При відсутності зовнішнього електричного поля електрони й дірки переміщаються в об'ємі напівпровідника хаотично. Якщо ж до напівпровідника прикласти напругу, то в ньому виникає впорядкований рух електронів в одному напрямку й дірок в іншому – протилежному напрямку. Через напівпровідник тече струм

                                        I = I_n – I_p,

де I_n – електронний струм, А;
    I_p – дірковий струм, А.

Струм, що протікає в напівпровіднику при рівноважній концентрації носіїв зарядів (електронів і дірок), називається струмом провідності.

Напівпровідник без домішок (i-типу) має власну електропровідність. Якщо в напівпровіднику є домішки інших речовин, то додатково до власної з'являється ще домішкова електропровідність, яка залежно від роду домішки може бути електронною (negative, тобто n-типу) або дірковою (positive, тобто p-типу).

Для одержання напівпровідника з електронною електропровідністю в чистий напівпровідник вводять невелику кількість елемента п'ятої групи періодичної системи хімічних елементів: сурми (Sb), миш'яку (As) або фосфору (P). Їхні атоми взаємодіють з атомами кремнію тільки чотирма своїми електронами (рис. 1.4, а), утворюючи міцні парноелектронні зв'язки з чотирма сусідніми атомами кремнію. П'ятий валентний електрон, наприклад, атома фосфору в утворенні парноелектронного зв'язку не бере участь, тобто виявляється «зайвим». Тому він слабко зв'язаний зі своїм атомом і може бути легко відірваний від нього. У результаті він перетворюється у вільний електрон, який може вільно переміщатися в міжатомному просторі напівпровідника, утворюючи електронну провідність n-типу.

Рис. 1.4. Заміщення домішковими атомами основних атомів решітки: а) донорний домішок (утворюються вільний електрон і нерухомий позитивний іон); б) акцепторний домішок (утворюється вільна дірка й нерухомий негативний іон)

Атом фосфору, який втратив один електрон, перетворюється в позитивний іон, який виявляється нерухомим, тому що він міцно втримується у вузлі кристалічної решітки парноелектронними зв'язками.

Рухливі носії зарядів, концентрація яких у даному напівпровіднику переважає, називаються основними носіями зарядів. Елементи, атоми яких віддають свої електрони, створюючи в напівпровіднику надлишок вільних електронів, називаються донорами. У напівпровіднику з донорними домішками електрони є основними носіями зарядів, а дірки – неосновними. Напівпровідник, у якому основними носіями зарядів є електрони, називається електронним напівпровідником або напівпровідником n-типу.

Для одержання напівпровідника з дірковою електропровідністю в його чистий кристал уводять домішки тривалентних елементів: індію (In), галію (Ga), бору (В) або алюмінію (Al). При цьому три валентні електрони, наприклад бора, утворюють три парноелектронних зв'язки з сусідніми атомами кремнію. У результаті теплового руху електрон одного з сусідніх атомів кремнію може перейти в незаповнений зв'язок атома бору. В атомі кремнію з'явиться один незаповнений зв'язок – дірка (рис. 1.4, б). Захоплений атомом бору, четвертий електрон кремнію утворює парноелектронний зв'язок і міцно втримується атомом бору. Атом бору стає при цьому нерухомим негативним іоном.

Домішки, атоми яких захоплюють і міцно втримують електрони атомів напівпровідника, називаються акцепторами. Основними носіями зарядів у напівпровіднику з акцепторною домішкою є дірки, а неосновними – електрони.

Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є дірки, тобто їхній надлишок перевищує концентрацію електронів, називаються дірковими напівпровідниками або напівпровідниками р-типу.

Електричний струм у напівпровіднику може бути викликано двома причинами:
- дією зовнішнього електричного поля;
- нерівномірним розподілом концентрації носіїв зарядів за обсягом напівпровідника.

Спрямований рух носіїв зарядів під впливом електричного поля називають дрейфом, а під впливом різниці концентрацій носіїв зарядів – дифузією. Нерівномірність концентрації зарядів у якій-небудь частині напівпровідника може виникнути під дією світла, тепла, електричного поля тощо.

3. Електронно-дірковий перехід (p-n перехід)

Нехай зовнішня напруга на переході відсутня. Через те, що носії зарядів у кожному напівпровіднику утворюють хаотичний тепловий рух, відбувається їх дифузія з одного напівпровідника в іншій. З напівпровідника n-типу в напівпровідник р-типу дифундують електрони, а у зворотному напрямку дифундують дірки (рис. 1.5, б). У результаті дифузії носіїв зарядів по обидві сторони границі розділу двох напівпровідників з різними типами електропровідності утворюються об'ємні заряди різних знаків. В області n виникає позитивний об'ємний заряд, який утворений позитивно зарядженими атомами донорної домішки. Подібно цьому в області р виникає негативний об'ємний заряд, утворений негативно зарядженими атомами акцепторної домішки.

Рис. 1.5. Утворення p-n переходу

Між об'ємними зарядами виникає контактна різниця потенціалів U_к = φ_n – φ_p і електричне поле E_к, спрямоване від n- області до p- області (рис. 1.5, б).

Як видно, в p-n переході виникає потенційний бар'єр, який перешкоджає дифузії основних носіїв зарядів. Висота потенційного бар'єра дорівнює контактній різниці потенціалів U і зростає при збільшенні концентрації домішок у відповідних областях, при цьому ширина p-n переходу Δx зменшується. Зі збільшенням температури висота потенційного бар'єра зменшується. Одночасно з дифузійним переміщенням основних носіїв через границю відбувається й зворотне переміщення носіїв під дією електричного поля контактної різниці потенціалів. Таке переміщення не основних носіїв зарядів називається дрейфовим.

При відсутності зовнішнього електричного поля через p-n перехід протікають два струми: струм дифузії I_диф і струм дрейфу I_др. Ці струми протікають назустріч один одному, тому взаємно компенсуються – сумарний струм через p-n перехід дорівнює нулю.

Якщо до p-n переходу прикласти зовнішню напругу «плюсом» до p-області, а «мінусом» до n-області, тобто пряму напругу U_пр, то створене нею зовнішнє електричне поле E_пр виявляється спрямованим назустріч електричному полю p-n переходу E_к (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Пряме включення p-n переходу

Висота потенційного бар'єра знижується на величину зовнішньої напруги. Одночасно зменшується товщина замикаючого шару (Δx_пр < Δx) і його опір у прямому напрямку стає малим. Т.к. висота потенційного бар'єра знижується, зростає дифузійний струм, оскільки більше число носіїв зарядів може подолати знижений бар'єр. Струм дрейфу при цьому майже не зміню­ється, тому що він залежить головним чином від числа не основних носіїв, що попадають за рахунок своїх теплових швидкостей на p-n перехід з p- і n-областей. При прямій напрузі через p-n перехід тече прямий струм І_пр, який дорівнює різниці струмів дифузії та дрейфу.

Струм, що протікає через p-n перехід під дією прикладеної до нього прямої зовнішньої напруги, називається прямим струмом I_пр Цей струм має напрямок з p-області в n-область.

Уведення носіїв зарядів через p-n перехід під дією прямої зовнішньої напруги в область напівпровідника, де ці носії є не основними, називається інжекцією.

Якщо до p-n переходу прикласти зовнішню напруга «плюсом» джерела живлення до n-області, а «мінусом» до p-області (рис. 1.7), тобто зворотну напругу U_обр, через перехід буде протікати дуже невеликий зворотний струм I_обр. Це пояснюється в такий спосіб: зовнішнє електричне поле, створене зворотною напругою E_обр, складається з полем контактної різниці потенціалів E_к. У результаті цього потенційний бар'єр підвищується, а товщина самого замикаючого шару збільшується (Δx_пр > Δx). Цей шар ще сильніше збіднюється носіями, і його опір значний зростає, тобто R_обр >> R_пр.

Рис. 1.7. Зворотне включення p-n переходу

Зовнішнє поле E_обр відтягує основні носії зарядів від p-n переходу. Переміщення вільних носіїв зарядів через p-n перехід зменшується, струм дифузії через перехід припиняється (I_диф = 0), тому що власні швидкості носіїв недостатні для подолання потенційного бар'єра. Однак не основні носії будуть переміщатися через p-n перехід, створюючи струм, що протікає з n- області в p- область (зворотний струм I_обр). Він є дрейфовим струмом не основних носіїв зарядів через p-n перехід.

Виведення неосновних носіїв через p-n перехід електричним полем, створених зворотною напругою, називають екстракцією носіїв зарядів.

Таким чином, p-n перехід пропускає струм тільки в одному напрямку – прямому, і не пропускає в іншому напрямку – зворотному, що визначає вентильні властивості p-n переходу.

Властивості p-n переходу ілюструються його вольтамперною характеристикою (ВАХ), яка є залежністю струму, що протікає через p-n перехід від прикладеної зовнішньої напруги I = f(U) (рис. 1.8).

Рис. 1.8. ВАХ p-n переходу: 1 – пряма гілка; 2 – зворотна гілка при лавинному пробої; 3 – зворотна гілка при тепловому пробої

В осях I_пр і U_пр зображена пряма гілка ВАХ, а в осях I_обр і U_обр – зворотна. Пряму й зворотну гілки зображують у різному масштабі, оскільки в нормальному режимі роботи p-n переходу зворотний струмна кілька порядків менше прямого.

При досягненні зворотною напругою деякої критичної величини відбува­ється різке зменшення опору p-n переходу. Це явище називається пробоєм p-n переходу, а відповідна йому напруга – напругою пробою U_проб. Розрізняють електричний і тепловий пробій. Електричний пробій (ділянка ABC характеристики) є оборотним, тобто при цьому пробої в переході не відбувається незворотних змін (руйнування структури речовини). Можуть існувати два види електричного пробою: лавинний і тунельний.

Лавинний пробій пояснюється лавинним розмноженням носіїв за рахунок ударної іонізації й за рахунок виривання електронів з атомів сильним електричним полем. Цей пробій характерний для p-n переходів великої товщини, що виходять при порівняно малої концентрації домішок у напівпровідниках. Пробивна напруга для лавинного пробою становить десятки або сотні вольт.

Явище ударної іонізації полягає в тому, що при більш високій зворотній напрузі електрони отримують більшу швидкість і, ударяючи в атоми кристалічної решітки, вибивають із неї нові електрони, які, у свою чергу, розганяються електричним полем і також вибивають з атомів електрони. Такий процес підсилюється з підвищенням напруги.

Тунельний пробій пояснюється явищем тунельного ефекту, сутність якого полягає в тому, що при полі напруженістю більш 10⁵ В/см, що діє в p-n переході малої товщини, деякі електрони проникають через перехід без зміни своєї енергії.

Області теплового пробою відповідає на рис. 1.8 ділянка CD. Тепловий пробій незворотний і супроводжується руйнуванням структури речовини в місці p-n переходу. Це відбувається через те, що кількість теплоти, що виділяється в переході від нагрівання його зворотним струмом, перевищує кількість теплоти, що видаляється від переходу. У результаті температура переходу зростає, його опір зменшується, струм збільшується, що остаточно приводить до перегріву p-n переходу і його тепловому руйнуванню.

У чистому виді p-n перехід використовується при виготовленні напівпровідникових діодів. Структура з декількох послідовно включених p-n переходів використовується при виробництві транзисторів і тиристорів.

4. Контрольні питання

1. Який струм називається струмом провідності?
2. Що таке донорні домішки?
3. Що таке акцепторні домішки?
4. Що розуміють під власною електропровідністю напівпровідників?
5. Яким чином отримують напівпровідник з електронною електропровідністю?
6. Яким чином отримують напівпровідник з дірчастою електропровідністю?
7. Які носії зарядів називаються основними?
8. Що називають електронною провідністю?
9. Що називається напівпровідником n-типу?
10. Що називається дірчастою провідністю?
11. Що називається напівпровідником р-типу?
12. Що називається дрейфом (дрейфовим рухом) носіїв заряду?
13. Що називається дифузією (дифузійним рухом) носіїв заряду?
14. Що називається р-n переходом?
15. Що називається запираючим шаром?
16. Що розуміють під прямим вмиканням р-n переходу?
17. Що розуміють під зворотним вмиканням р-n переходу?<
18. Що називається інжекцією носіїв зарядів?
19. Що називається рекомбінацією носіїв зарядів?
20. Що називається екстракцією носіїв зарядів?
21. Яка напруга називається прямою?
22. Яка напруга називається зворотною?
23. Який струм називається прямим?
24. Який струм називається зворотнім?
25. Які носії зарядів називаються неосновними?

НАГОРУ