Полупроводники

Основные свойства полупроводников. Транзистор изготавливается из полупроводникового материала двух различных типов. Для понимания работы транзистора необходимо рассмотреть некоторые свойства этого необычного класса материалов, называемых полупроводниками.

По своим электрическим свойствам твердые вещества можно разделить на три класса: проводники, изоляторы и полупроводники. Класс, в который попадает тот или иной материал, зависит от поведения электронов на внешней орбите атома. В случае изолятора, такого как полиэтилен, эти валентные электроны прочно связаны с ядром и лишь немногие из них способны порвать связь со своими атомами и участвовать в движении, образующем электрический ток. В проводнике, таком как медь, очень много свободных электронов при любой температуре выше абсолютного нуля, поскольку валентные электроны совсем слабо связаны со своими атомами и свободно дрейфуют.

Полупроводники являются необычными материалами. Полупроводником, чаще все применяемым в транзисторах, является кремний, хотя используется и германий. Оба эти элемента — четырехвалентные, то есть на внешней орбите их атомов находятся по четыре электрона. Кристаллы кремния и германия имеют очень ясную и стройную структуру, благодаря которой атомы удерживаются вместе в устойчивом образовании; говорят, что устойчивость обеспечивается ковалентной связью. Известно, что при наличии у атома восьми валентных электронов вещество оказывается очень стабильным (инертные газы находятся в таком состоянии). Соседние атомы в кристалле кремния или германия принимают совместное участие в таком образовании, в результате чего каждое ядро имеет «половинную долю» в восьми валентных электронах вместо индивидуального владения четырьмя валентными электронами, которыми обладал бы изолированный атом. Такая структура из атомов кремния схематически показана на рис. 1.(a); каждая из указанных на рисунке связей между атомами, представляет собой совместно используемый валентный электрон. Здесь интересно отметить, что чрезвычайная твердость алмаза связана с тем, что четырехвалентные атомы углерода имеют такую же организацию ковалентных связей в кристалле. Алмаз действительно считается полупроводником, но прочность ковалентных связей, которая и обеспечивает его физическую твердость, приводит фактически к очень слабой электропроводности. Какое счастье, что для транзисторов мы имеем намного лучшие и значительно более дешевые альтернативные материалы!

Электроны и дырки

Рис. 1. (а) Изображение ковалентных связей электрона в атомах кристалла кремния. (б) Та же решетка кристалла, что и на рис.(а), но со свободным электроном и дыркой, образованными тепловым возмущением.

Идеальная решетка из атомов кремния, показанная на рис. 1(a), существует только при температурах вблизи абсолютного нуля. При комнатной температуре вследствие тепловых колебаний атомов происходит разрыв некоторых связей; электроны отрываются от атомов и свободно блуждают по кристаллу. Там, где электрон становится свободным, он оставляет после себя дырку или отсутствие отрицательного заряда, которое также может казаться перемещающимся, если разорванная связь заполняется электроном из соседнего атома. На рис. 1(б) представлен участок кристаллической решетки кремния при комнатной температуре со свободным электроном и получившейся дыркой.

Наличие свободных электронов делает кремний проводником электричества, хотя и очень плохим. Если, например, подключить образец из кремния к батарее, то приложенное поле будет увлекать свободные электроны по направлению к положительному выводу. При этом дополнительные свободные электроны появляются на отрицательном выводе и могут передвигаться по полупроводнику, перескакивая от дырки к дырке. Так устанавливается электрический ток. Если температура полупроводника увеличивается, то разрывается большее число связей, появляется больше электронов и дырок и проводимость растет. Интересно отметить, что этот температурный эффект прямо противоположен эффекту, наблюдаемому в металлах: даже при низких температурах в проводнике имеется такое облако свободных электронов, что фактором, ограничивающим проводимость, является уже не отсутствие свободных электронов, а их способность двигаться между атомами металла. При увеличении температуры проводника амплитуда колебаний атомов увеличивается и они в большей степени препятствуют движению свободных электронов. Таким образом, с ростом температуры сопротивление проводника увеличивается, тогда как у полупроводника оно падает. Очень слабая проводимость, которой обладает чистый полупроводник, называется собственной проводимостью.

Проводимость полупроводника с примесями

Добавление примесей в полупроводник приводит к интересным результатам. Атомы некоторых примесей способны внедряться в кристаллическую решетку, не внося в нее чрезмерной деформации, и в случае, когда валентность этих атомов отличается от собственной валентности полупроводника, проводимость кристалла значительно возрастает. На рис. 2. показан результат введения пятивалентных атомов фосфора в кристалл кремния. Четыре из пяти валентных электронов связаны с соседними атомами кремния, а оставшийся электрон настолько слабо связан, что становится свободным и может передвигаться по кристаллу, увеличивая его проводимость. Введение примесей в полупроводник называют легированием, а появляющаяся при этом проводимость называется примесной проводимостью. Пятивалентные примеси, такие как фосфор, называются донорными, так как они добавляют свободные электроны в кристалл. Поскольку примесная проводимость в данном случае обусловлена свободными отрицательными зарядами (электронами), этот тип легированных полупроводников называют полупроводниками n-типа.

Рис. 2. Кристаллическая решетка кремния с примесным атомом фосфора. Здесь имеется свободный электрон, способствующий проводимости (полупроводник n-типа).

На рис. 3. показан эффект от введения в кремний трехвалентных атомов бора. Несмотря на то, что атом бора имеет только три валентных электрона, он принимает дополнительный электрон от одного из соседних атомов кремния для заполнения его ковалентных связей. Это приводит к образованию в решетке дырки или отсутствия электрона, и такая дырка может перемещаться, участвуя, таким образом, в обеспечении проводимости. На самом деле, конечно, при этом происходят перескоки валентных электронов, но результат заключается в том, что дырка переходит от атома к атому. Трехвалентные примеси, подобные бору, называют акцепторными, поскольку они, будучи введены в кристалл, способны принимать электроны. Так как теперь проводимость обусловлена положительными дырками, этот легированный полупроводник носит название полупроводника р-типа.

Рис. 3. Кристаллическая решетка кремния с примесным атомом бора. Здесь имеется свободная дырка, способствующая проводимости (полупроводник р-типа).

Основные и неосновные носители

Несмотря на то, что наличие примеси в легированных полупроводниках является основной причиной проводимости, все же остается и собственная проводимость чистого полупроводника, вызванная нарушением ковалентных связей из-за тепловых колебаний. Таким образом, в материале n-типа кроме свободных электронов, обусловленных донорной примесью, имеется небольшое количество дырок, образовавшихся в результате тепловой генерации пар электрон-дырка. Аналогично в материале р-типа имеется немного электронов теплового происхождения. Носители зарядов, намеренно введенные путем легирования, называют основными носителями, тогда как носители зарядов противоположного знака, возникающие в результате тепловых колебаний, называются неосновными.

Компенсация

Существует возможность преобразовать материал n-типа в материал p-типа и наоборот просто путем добавления соответствующей примеси в количестве, превышающем количество первоначальной примеси. Свободные электроны, присутствующие в материале n-типа, заполняют дырки в материале p-типа и исчезают. Этот способ, называемый компенсацией, широко используется при изготовлении транзисторов, где различные примеси диффундируют в кристалл на различных этапах производства.

p-n переход

Работа полупроводникового прибора, такого как транзистор, определяется эффектами, имеющими место на границе между материалами р- и n-типа. На этой стадии важно понять, что полупроводниковый переход представляет собой изменение материала с р-типа на n-тип в пределах одной и той же непрерывной кристаллической решетки. При простом соединении образцов материала р-типа и материала n-типа не возникает р-n переход.

Рис. 4. Условное обозначение полупроводникового диода, р-п переход с обедненным слоем и изменение потенциала.

На рис. 4. показан диод, представляющий собой р-n переход с металлическими контактами с каждой стороны. Под изображением перехода приведен график изменения потенциала на р-n переходе. Как только переход образован, часть свободных электронов из области n-типа вблизи границы переходит в область p-типа и заполняет часть дырок в p-области. На месте электронов остается область с некомпенсированным положительным зарядом. То же самое происходит в области р-типа, где возникает отрицательный заряд. Эти заряды образуют потенциальный барьер, препятствующий дальнейшему перемещению электронов через переход, благодаря чему наступает равновесие. В результате такого начального перемещения дырок и свободных электронов вблизи р-n перехода практически не остается свободных носителей. Эта область, шириной менее одного микрона, называется обедненным слоем.

Смещенный р-n переход

Рис. 5. Поведение обедненного слоя (a) при обратном смещении и (б) при прямом смещении.

Если к р-n переходу подключен внешний источник постоянного напряжения, то потенциальный барьер обедненного слоя увеличивается или уменьшается в зависимости от полярности поданного напряжения или смещения. На рис. 5. показаны оба случая: (а) обратное смещение, когда потенциальный барьер увеличивается, а обедненный слой расширяется, и (b) прямое смещение, когда барьер уменьшается, а обедненный слой сужается. В случае обратного смещения через переход течет очень маленький ток, связанный с тепловым разрушением ковалентных связей в обеих областях. Неосновные носители имеют такую полярность, которая способствует их прохождению через переход. Однако при комнатной температуре этот обратный ток у кремниевого перехода настолько мал (порядка 1 нА), что на практике им часто пренебрегают. Когда же переход смещен в прямом направлении, потенциальный барьер понижается, нарушается равновесие и часть электронов из n-области и дырок из p-области теперь способны пересечь переход. Чем больше напряжение прямого смещения, тем ниже потенциальный барьер, тем большее число электронов и дырок проходит сквозь обедненный слой и, следовательно, возникает ток, текущий через переход.

Рис. 6. Прямая и обратная характеристики полупроводникового кремниевого диода.

Следует отметить, что при увеличении э.д.с. прямого смещения, эффективное сопротивление перехода уменьшается из-за понижения потенциального барьера. В результате небольшое увеличение напряжения, приложенного в прямом направлении, вызывает значительное увеличение тока. Обычно у маломощных кремниевых диодов напряжение прямого смещения 0,6 В вызывает ток около 1 мА, а при напряжении 0,8 В ток возрастает до 100 мА. Прямая и обратная характеристики типичного маломощного кремниевого диода показаны на графике зависимости тока от приложенной э.д.с. на рис. 6.

Из графика видно, что кремниевый переход практически не проводит ток, пока э.д.с. прямого смещения не превышает 0,5 В. У германиевых переходов эта величина меньше и составляет 0,2 В.

Из сказанного следует, что ток может свободно протекать через диод в одном направлении, а в другом направлении диод представляет собой почти бесконечное сопротивление. Такая односторонняя характеристика указывает на важное применение диодов: выпрямление, преобразование переменного напряжения в постоянное.

Лавинный пробой

Хотя при обратном смещении диод ведет себя как изолятор, дальнейшее увеличение приложенного напряжения приводит к ситуации, когда переход вдруг начинает проводить (рис. 7.). Происходит это из-за электронов теплового происхождения, приобретающих за счет электрического поля в обедненном слое энергию, достаточную для образования новых пар электрон-дырка при соударении с атомами кремния. Эти вновь образовавшиеся носители затем сами создают свободные носители и лавина нарастает. Процесс не приводит к разрушению перехода, если ограничить ток и тем самым не допустить его перегрева. Лавинный пробой может происходить при напряжениях от 5 В до 1000 В и выше. Напряжение пробоя зависит от конструкции диода и степени легирования кремния. Значением напряжения пробоя ограничивается обратное пиковое напряжение в выпрямителях.

Рис. 7. Характеристика диода, смещенного в обратном направлении, с типичным лавинным пробоем.

Выпускаются специальные диоды с низким напряжением пробоя, которые называются зенеровскими, по имени Карла Зенера, который в 1934 году открыл механизм электрического пробоя. Зенеровские диоды или стабилитроны обычно имеют очень высокую степень легирования, создающую большую концентрацию основных носителей и позволяющую обедненному слою оставаться тонким даже при обратном смещении перехода. В результате градиент потенциала становится настолько большим, что пробой может произойти при обратном напряжении менее 3 В. Очень крутая характеристика пробоя, показанная на рис. 7, говорит о том, что падение напряжения на диоде в режиме пробоя остается почти постоянным при изменении обратного тока в широком диапазоне. Поэтому, стабилитроны используются для стабилизации выходного напряжения в источниках питания. Строго говоря, понятие зенеровского пробоя включает в себя туннельный эффект при преодолении потенциального барьера и применимо только к диодам с напряжением пробоя менее 5 В, а при напряжении пробоя более 5 В диоды правильнее называть лавинными.

Емкость перехода и варикапы

Диод, смещенный в обратном направлении, ведет себя как небольшой конденсатор с типичным значением емкости 2 пФ для маломощного кремниевого диода. Обедненный слой ведет себя как диэлектрический изолятор между проводящими «пластинами» n- и p-типа. Кроме того, с ростом смещающего напряжения емкость немного падает, поскольку обедненный слой расширяется. Путем соответствующего легирования создаются специальные диоды — варикапы, для которых типичным является изменение емкости от 10 пФ до 2 пФ при увеличении обратного напряжения от 2 В до 30 В. Такие диоды широко используются при настройке радиоприемников и телевизоров в диапазоне метровых и дециметровых волн. Устройство для электронного управления емкостью конденсатора настройки часто представляет собой специальную схему (схема автоматической подстройки частоты), которая фиксирует настройку на желаемую станцию автоматически.