Структура вещества примесных полупроводников, P-N переход его структура и ВАХ

Структура

Химические вещества могут быть в трех основных фазах: твердой, жидкой и газообразной. Когда молекулы находятся в твердой фазе, они не могут двигаться, кроме своего среднего положения, что называется тепловым движением. Молекул в жидкой и газообразной фазах могут свободно перемещаться. Некоторые вещества имеют кристаллические структуры, в которых атомы объединены в определенную решетку, которая сохраняется на протяжении всего объема кристалла.

Электрическая проводимость твердых веществ необходима для производства многих электронных устройств. Эта способность зависит от способности материала производить свободные электроны. Структура кристаллических решеток веществ, таких как германий и кремний, напоминает структуру алмаза. Кремний и германий имеют хорошие диэлектрические свойства благодаря своей кристаллической решетке и сильной связи электронов.

Модель кристалла германия

Кристалл германия имеет так называемую алмазную (diamond‐like) структуру, схожую со строением алмаза или кремния. Каждый атом германия четырёхвалентен, то есть имеет четыре валентных электрона, и потому образует по четыре прочные ковалентные связи с ближайшими соседями, расположенными в вершинах тетраэдра. На приведённом рисунке изображена упрощённая двумерная проекция этой трёхмерной решётки, где пунктирные линии символизируют ковалентные связи. В реальном же пространстве атомы не лежат в одной плоскости, а занимают позицию в кубической решётке с базисом из двух атомов, сдвинутых вдоль одной из диагоналей элементарной ячейки. Каждый атом германия окружён четырьмя ближайшими соседями под углом около 109,5°, и все его четыре валентных электрона участвуют в связывании, что формирует высокоупорядоченную и прочную сетку. Такое распределение электронов и тесное взаимодействие между атомами определяет полупроводниковые свойства германия: при низких температурах носителей заряда очень мало, а при повышении температуры часть электронов «высвобождается» из связей и переходит в зону проводимости, формируя свободные носители тока.

Состояния вещества

Под состояниями (или фазами) вещества обычно понимают различные формы существования материи, которые отличаются друг от друга организацией частиц (атомов, молекул или ионов) и характером взаимодействий между ними.

Наиболее известны твёрдое, жидкое и газообразное состояния, а также плазма, встречающаяся при очень высоких температурах. В твёрдом состоянии частицы прочно связаны между собой и формируют либо кристаллическую решётку, либо аморфную структуру; материал при этом имеет собственную форму и объём. Жидкое состояние характеризуется сохранением приблизительно постоянного объёма, однако жидкость принимает форму сосуда, так как связи между молекулами слабее, чем в твёрдом теле, и частицы могут скользить друг относительно друга. Газовое состояние отличается отсутствием жёстких связей: молекулы или атомы движутся хаотично и заполняют весь доступный объём, поэтому газ не имеет ни постоянного объёма, ни формы. Плазма, будучи ионизированным газом с высокой концентрацией свободных электронов и ионов, обладает способностью проводить электрический ток и является наиболее распространённой формой материи во Вселенной, в частности в звёздах. Помимо этих четырёх наиболее часто упоминаемых состояний, существуют и более «экзотические» фазы, например конденсат Бозе–Эйнштейна, суперфлюидные и сверхпроводящие состояния, которые проявляются при экстремально низких температурах или под воздействием сильных внешних полей.

Примесные полупроводники

Кремний и германий проявляют свойства диэлектриков в чистом виде, что означает, что они плохо проводят электричество. Тем не менее, при добавлении небольшого количества примесей эти материалы обладают уникальными свойствами, которые существенно изменяются. В полупроводниковой индустрии, где используются кремния и германия, этот процесс, называемый допированием, имеет решающее значение.

Модель полупроводника n-типа

Модель полупроводника n-типа описывает материал, в который намеренно добавляют донорные примеси, например, фосфор, арсен или антимон, обладающие избытком валентных электронов по сравнению с исходным кристаллическим материалом, таким как кремний. В результате легирования атомы доноров внедряются в кристаллическую решетку, создавая энергетический уровень, который располагается немного ниже дна зоны проводимости. Это позволяет электронам, не будучи тесно связанными с донорными атомами, при незначительном количестве тепловой энергии (например, при комнатной температуре) легко переходить в зону проводимости, где они становятся свободными носителями заряда. Благодаря своей малой эффективной массе электроны характеризуются высокой подвижностью, что обеспечивает преобладание их вклада в проводимость по сравнению с дырками. При этом положительные ионы, остающиеся после отдачи электрона донорным атомом, сохраняют свою позицию в решетке, компенсируя заряд и поддерживая общую нейтральность системы.

Структура полупроводников n-типа

Структура полупроводников n-типа определяется наличием кристаллической решетки основного материала (например, кремния или германия), в которую целенаправленно внедряются донорные примеси. Атомы доноров, таких как фосфор, мышьяк или сурьма, имеют на своей внешней оболочке один дополнительный валентный электрон по сравнению с атомами базового материала. В процессе формирования решетки четыре из пяти электронов участвуют в образовании устойчивых ковалентных связей с соседними атомами, а пятый электрон оказывается слабо связанным и располагается на дополнительном энергетическом уровне, находящемся немного ниже дна зоны проводимости. При нормальных температурных условиях этот дополнительный электрон с легкостью ионизируется, переходя в зону проводимости, что приводит к образованию избытка свободных электронов – основных носителей заряда в материале.

Одновременно с этим атомы донорной примеси, утратившие свой лишний электрон, превращаются в стационарные положительно заряженные ионы, остающиеся в решетке и компенсирующие отрицательный заряд свободных электронов. Такая организация структуры – сочетание идеально упорядоченной кристаллической решетки, дополнительного энергетического уровня, обусловленного легированием, и свободных электронов – обеспечивает высокую подвижность носителей заряда и низкое сопротивление материала.

Модель полупроводника p-типа

Модель полупроводника p-типа основана на легировании чистого материала (например, кремния) акцепторными примесями, атомы которых имеют лишь три валентных электрона. При замещении ими атомов основного материала, где у каждого атома обычно четыре валентных электрона, не удаётся сформировать полный набор ковалентных связей, вследствие чего в валентной зоне возникает «дырка» – пустое место, которое ведёт себя как положительный носитель заряда. При температуре, достаточной для термического возбуждения, электроны из соседних ковалентных связей могут переходить на уровень примеси, заполняя его, и оставляя за собой дырки в валентной зоне. Эти дырки, способные перемещаться по кристаллической решетке под действием внешнего электрического поля, становятся основными носителями заряда, в то время как электроны оказываются в меньшинстве.

Атомы акцепторных примесей, принявшие электрон, приобретают отрицательный заряд и остаются стационарными в решетке, что обеспечивает компенсацию положительного заряда движущихся дырок. Проводимость p-типа определяется движением дырок – эффективным переносом положительного заряда.

Структура полупроводников p-типа

В полупроводниках p-типа структура основывается на кристаллической решетке чистого материала (чаще всего кремния или германия), в которую вводят акцепторные примеси – атомы с валентностью меньше, чем у атомов основного материала (например, бор, алюминий, галлий или индиум). При замещении такого атома в решетке, вместо обычных четырёх ковалентных связей формируется только три, что приводит к появлению «дырки» – отсутствующего электрона, которая действует как положительный носитель заряда. При этом акцепторный атом, захватывая электрон из соседней связи, становится отрицательно заряженным и остаётся стационарным в кристаллической решетке, а оставшаяся дырка свободно перемещается, обеспечивая проводимость p-типа. Энергетически уровень акцептора располагается чуть выше верха валентной зоны, что позволяет при незначительном тепловом возбуждении электронам переходить на этот уровень и создавать дырки в валентной зоне, таким образом определяя свойства проводимости устройства.

Основные и неосновные носители заряда

Основные и неосновные носители заряда — это два типа заряженных частиц, которые существуют в полупроводниках и могут участвовать в проводимости. В зависимости от конкретных условий и характеристик материала, один из них может доминировать.

Важно отметить, что тип и состав полупроводника, температура, применяемое напряжение и другие факторы влияют на доминирование оcновных или неосновных носителей. Проектирование и анализ полупроводниковых устройств зависят от понимания функций и взаимодействия основных и неосновных носителей заряда.

Основные носители заряда

Основные носители заряда — это заряженные частицы, которые образуются в полупроводнике благодаря допированию или внесению атомов примесей. В полупроводниках P-типа это дырки (положительно заряженные) и электроны (отрицательно заряженные) в полупроводниках N-типа. Основные носители заряда обладают высокой подвижностью и способны перемещаться под воздействием электрического поля. Они играют ключевую роль в проведении электрического тока в полупроводнике.

Неосновные носители заряда

Неосновные носители заряда — это заряженные частицы, которые возникают в полупроводнике благодаря тепловому возбуждению. Эти частицы могут быть как дополнительными электронами (в случае полупроводников P-типа) или дополнительными дырками (в случае полупроводников N-типа), образованными при переходе электронов в зону проводимости под воздействием тепла. Неосновные носители обычно имеют низкую подвижность и обычно не являются ключевыми участниками в проведении тока. Однако при повышенных температурах или других возмущениях они могут внести вклад в проводимость полупроводника.

P-N Переход

На изображении схематично показан p–n переход, где слева находится область p-типа, легированная акцепторными примесями, а справа — область n-типа с донорными примесями. В p-слое основными носителями заряда являются дырки, образующиеся из-за нехватки электронов, а в n-слое — электроны, появившиеся благодаря «излишку», который создают донорные центры. Когда эти два типа полупроводника соприкасаются, часть электронов из n-области переходит в p-область и рекомбинирует с дырками; при этом вблизи границы раздела остаются ионизированные примеси — отрицательно заряженные акцепторы с «p-стороны» и положительно заряженные доноры с «n-стороны». Образуется «обеднённый» слой с почти полным отсутствием свободных носителей, но с зафиксированными пространственными зарядами, создающими встроенное электрическое поле и потенциал, препятствующие дальнейшему пересечению границы электронами и дырками. Именно это поле формирует потенциальный барьер, который надо преодолеть носителям заряда при прохождении через переход, и благодаря ему p–n переход получает выпрямляющие свойства: при прямом включении (плюс к p, минус к n) барьер снижается и возникает заметный ток, а при обратном (плюс к n, минус к p) барьер повышается и проводимость становится очень малой.

P-N Переход в качестве выпрямителя

P-N переход может использоваться как выпрямитель в электронных схемах. Рассмотрим его работу при прямом и обратном смещении:

Прямое смещение (Forward Bias)

Когда к p-области прикладывают более высокий потенциал, чем к n-области (прямое смещение), потенциальный барьер на границе p–n снижается. Это позволяет основным носителям заряда — дыркам из p-области и электронам из n-области — свободно проходить через переход и формировать заметный ток. В противоположном случае (обратное смещение), когда напряжение прикладывают наоборот, барьер возрастает, и основной ток практически не течёт. Благодаря такому свойству p–n переход способен пропускать заряд в одном направлении, работая в качестве выпрямителя.

Обратное смещение (Reverse Bias)

При обратном смещении, когда к p-области прикладывается более низкий потенциал, чем к n-области, потенциальный барьер на границе p–n увеличивается. Обеднённая область расширяется и практически блокирует прохождение основных носителей заряда (дырок из p-области и электронов из n-области). В результате в цепи протекает только очень малый обратный ток, вызванный меньшинствами носителей, пока напряжение не достигнет критического уровня пробоя. В режиме обратного смещения диод практически «закрыт» и почти не пропускает ток.

Вольт амперная характеристика P-N перехода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) P-N перехода представляет собой график зависимости тока через переход от напряжения, приложенного к нему. ВАХ позволяет оценить, как P-N переход ведет себя при различных режимах работы: прямом смещении и обратном смещении.

Прямое смещение (Forward Bias)

При прямом смещении p–n перехода вольт-амперная характеристика демонстрирует небольшой ток при низком прикладываемом напряжении и быстрый рост тока, когда внешнее напряжение превышает потенциальный барьер. В случае кремниевых диодов этот барьер обычно находится в области около 0,6–0,7 В. С ростом прямого напряжения начинается экспоненциальное увеличение тока, поскольку энергетический барьер на переходе становится достаточно низким, чтобы пропускать значительное количество основных носителей. При прямом смещении диод ведёт себя как малое сопротивление и пропускает крупный ток, резко повышающийся при дальнейшем увеличении напряжения.

Обратное смещение (Reverse Bias)

При обратном смещении p–n переход пропускает лишь незначительный «обратный» ток, связанный с меньшинственными носителями заряда. На вольт-амперной характеристике это проявляется как почти горизонтальный участок с очень малым током вплоть до достижения критического напряжения пробоя. Когда обратное напряжение возрастает до уровня, при котором происходит пробой (avalanche или зенеровский, в зависимости от типа диода и технологии его изготовления), ток резко возрастает, формируя «крутой» участок характеристики. До пробоя обратный ток фактически остаётся почти постоянным и ничтожным по сравнению с прямым током.