Электроны, дыроки и легирование в полупроводниках: основы и применение

Чистые полупроводники имеют гораздо более высокое удельное сопротивление, чем металлы, но значительно ниже, чем стекло. Для эффективной работы собственного (нелегированного) полупроводника его чистота должна достигать хотя бы одного дефекта на 10 миллиардов атомов — это эквивалентно одному зернышку соли в вагоне сахара. Целенаправленное внесение примесей — легирование — резко повышает проводимость, хотя она всё ещё уступает металлической. Понимание этого требует изучения электронной структуры материала (см. рисунок).

Электронная структура

Рисунок (а) показывает четыре валентных электрона в атоме полупроводника, образующие ковалентные связи с четырьмя соседними атомами. Все электроны заперты в этих связях, свободных зарядовых носителей нет; следовательно, собственный полупроводник ведёт себя как относительно хороший изолятор по сравнению с металлами.

(а) Собственный полупроводник — изолятор с заполненной валентной оболочкой. (б) Термическое возбуждение может освободить несколько электронно-дырочных пар, давая слабую проводимость.

Термическая энергия иногда вырывает электрон из кристаллической решётки, как показано на рисунке (б). Освобождённый электрон может свободно двигаться по решётке, а оставшаяся вакансия несет положительный заряд — дырку. И электроны, и дырки вносят вклад в ток; электрон в конечном итоге рекомбинирует с дыркой, падая обратно в решётку. При внешнем электрическом поле электроны и дырки дрейфуют в противоположных направлениях. Повышение температуры создаёт больше носителей, снижая сопротивление — поведение, противоположное металлам, где сопротивление растёт с температурой из-за усиленного рассеяния. В собственном полупроводнике числа электронов и дырок равны, но их подвижности различаются.

Примеси в полупроводниках

Чистые полупроводники сами по себе редко полезны; их сначала доводят до очень высокой чистоты. Материал с чистотой 1 к 10 миллиардам затем легируют примесями примерно 1 к 10 миллионам, чтобы повысить концентрацию носителей. Это намеренное добавление чужеродных атомов — легирование — превращает кристалл в проводник, сопоставимый с металлами.

Добавление электронного донора (n-тип легирования), такого как фосфор, увеличивает число отрицательных зарядовых носителей. Доноры принадлежат к группе VA (азот, фосфор, мышьяк, сурьма). Фосфор, например, имеет пять валентных электронов; он связывается с четырьмя атомами кремния и удерживает один слабо связанный электрон, который становится свободным для движения. При концентрации легирования 1 ppm (1 часть на 10 миллионов) полученная электронная плотность далеко превосходит собственную кремний, обеспечивая сильную проводимость в зоне проводимости.

(а) Конфигурации внешних оболочек донора n-типа фосфора, кремния и акцептора p-типа бора. (б) n-тип донорная примесь создаёт свободный электрон. (в) p-тип акцепторная примесь создаёт дырку, положительный зарядовый носитель.

Наоборот, внесение электронного акцептора (p-тип легирования) с тремя валентными электронами — такого как бор — создаёт вакансию, или дырку, в решётке. Бор пытается сформировать четыре ковалентные связи, но может предоставить только три электрона, оставляя пустое место, которое действует как подвижный положительный носитель в валентной зоне. p-тип элементы из группы IIIA (бор, алюминий, галлий, индий); бор — стандартный легирующий элемент для кремния и алмаза, индий — для германия.

Аналогия «шарик в трубке» иллюстрирует движение дырок: электрон, движущийся влево-вправо, освобождает место, которое, казалось бы, движется вправо. Электроны в n-типе дрейфуют вправо под действием электрического поля, тогда как дырки в p-типе дрейфуют вправо, что соответствует движению электронов влево.

Аналогия шарик в трубке: (а) Электроны текут вправо в зоне проводимости. (б) Дырки текут вправо в валентной зоне.

В n-типе полупроводника основные носители — свободные электроны. При приложении напряжения электроны входят с отрицательной стороны, проходят через решётку и выходят с положительной, формируя ток, аналогичный металлическому проводу.

(а) n-тип полупроводник: электроны движутся влево-вправо. (б) p-тип полупроводник: дырки движутся влево-вправо, эквивалентно движению электронов вправо-влево.

В p-типе основные носители — дырки. Инверсная полярность батареи заставляет электроны уходить с левого конца к положительному выводу, создавая дырку, движущуюся вправо. У отрицательного вывода электрон батареи рекомбинирует с дыркой, позволяя другой дырке войти слева. Видимое движение дырки таким образом обусловлено движением электронов противоположно приложенному полю.

Элементы для производства полупроводников

На рисунке ниже приведены основные полупроводниковые материалы и их распространённые легирующие примеси:

p-тип легирование группы IIIA, базовые полупроводники группы IVA, n-тип легирование группы VA.

Кремний остаётся основным материалом индустрии, составляя около 90% коммерческого производства. Германий в значительной степени устарел, тогда как алмаз (углерод) — новая исследовательская платформа. Составные полупроводники, такие как карбид кремния (группа IVA) и арсенид галлия (группа III-V), широко используются в силовой электронике и оптоэлектронике. Таблица также включает III-VI соединения (AlN, GaN, InN и др.) и другие II-VI материалы.

• Чистота собственного полупроводника: 1 часть на 10 миллиардов → плохой проводник.
• n-тип легирование: пятивалентная примесь → доминируют свободные электроны → высокая проводимость.
• p-тип легирование: трёхвалентная примесь → избыток дырок доминирует → высокая проводимость.
• Кремний — преобладающий элемент; германий — почти устарел; углерод (алмаз) — перспективный.
• Составные полупроводники (SiC, GaAs) широко применяются.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Рабочий лист: Электрическая проводимость в полупроводниках