Электротехнические материалы

Энергетические уровни примесных атомов располагаются в запретной зоне основного полупроводника. При этом различают донорные примеси, энергетические уровни которых расположены вблизи зоны проводимости (рис. 3, б), и акцепторные, уровни которых расположены вблизи валентной зоны (рис. 3, в).

Рис. 3. Влияние примесей на энергетическую диаграмму полупроводников

Донорные примеси поставляют электроны в зону проводимости основного полупроводника, создавая в веществе проводимость типа «n» (negatio отрицательный). Акцепторные примеси создают в полупроводнике дополнительные энергетические уровни, на которые могут переходить электроны из валентной зоны, образуя там дырки. Такой полупроводник обладает электропроводностью типа «p» (positiv положительный).

Как видно из рис. 3, примесная электропроводность полупроводников требует меньших энергетических воздействий (0,01–0,1 эВ), чем собственная электропроводность (1–2 эВ).

21

Для получения полупроводников с электронной проводимостью (n-типа) в них вводят вещества, валентность которых на единицу больше валентности основного полупроводника. Четыре электрона каждого из атомов введенной примеси устанавливают четыре ковалентные (парные) связи с соответствующими атомами основного полупроводника. Пятый электрон остается без такой связи и может быть легко переведен в зону проводимости.

Для получения полупроводников с дырочной проводимостью (р-типа) в них вводят вещества, валентность которых на единицу меньше валентности основного полупроводника.

Каждый из атомов примеси установит три ковалентные связи с соответствующими атомами полупроводника. Для связи с четвертым атомом у примеси электрона нет. Таким образом, у нескольких атомов полупроводника будет по одному электрону без ковалентной связи. Достаточно теперь небольших внешних энергетических воздействий, чтобыэтиэлектроныпокинулисвоиместа, образовав дырки.

Например, в германии электронную проводимость создают примеси 5-валентных элементов (сурьмы, мышьяка), а дырочную примеси 3-валентных элементов (индия, галлия, алюминия). Примесные элементы образуют с германием твердый раствор замещения, в результате чего в некоторых узлах кристаллической решетки вместо атомов германия располагаются атомы примеси.

Рассмотрим, каким образом возникает электронная проводимость при введении в германий, например, атомов сурьмы. Атом сурьмы на внешней (валентной) оболочке имеет 5 электронов. Четыре из них вступают в обменное взаимодействие с четырьмя ближайшими атомами германия, образуя с ними ковалентные связи. Пятый электрон, поскольку он не участвует в установлении парноэлектронной связи, обладает более высоким запасом энергии, чем остальные четыре электрона. Поэтому для того, чтобы этот «лишний» электрон выбить из атома и сделать свободным, требуется значительно меньше дополнительной энергии, чем на выбивание электронов, участвующих в ковалентных связях (не более 0,0137 эВ вместо 0,78 эВ). Выбитый из атома сурьмы электрон получает воз-

22

можность свободного перемещения по всему полупроводнику. Примесный элемент, создающий электронную проводимость полупроводника, называется донором, а полупроводник с электронной проводимостью полупроводником n-типа.

Преимущественно дырочная проводимость полупроводника возникает при введении в него атомов примеси меньшей валентности, например, при введении в германий индия. Атом индия, занимая один из узлов кристаллической решетки германия, тоже образует парноэлектронные связи с атомами германия, находящимися в ближайших узлах. Но так как на валентной оболочке атома индия имеется лишь 3 электрона, то одна из четырех связей оказывается неукомплектованной. По этой причине электрон соседнего атома германия сравнительно слабым энергетическим воздействием может быть переброшен к атому индия. Лишившийся одного электрона атом германия находится в неустойчивом состоянии и для восстановления своей равновесности вновь принимает валентный электрон от одного из ближайших к нему атомов германия. Таким образом, «дырка», возникшая по соседству с атомом индия, начинает свободно перемещаться по кристаллической решетке германия, благодаря «эстафетному» перескакиванию электронов с атома на атом под воздействием внешнего электрического поля. Электрон же, захваченный атомом индия, передвигаться дальше по кристаллу не может и остается в том же узле, где находится атом индия.

Таким образом, в полупроводнике с примесью атомов элемента с более низкой валентностью преобладает дырочная проводимость. Такой полупроводник называется полупроводником р-типа, а примесныйэлемент, принимающийэлектроны, называется акцептором.

Обычно в каждом полупроводнике преобладают какие-либо одни примеси: либо доноры, либо акцепторы. В соответствии с этим полупроводники разделяются на электронные (n-типа) и дырочные (р-типа). Однако не следует думать, что в электронном полупроводнике вообще нет «дырок», а в дырочном свободных электронов. При тепловых колебаниях атомов в полупроводнике возникают пары электрон «дырка», и кроме основных носителей

23

тока электронов в электронном полупроводнике и «дырок» в дырочном, всегда существуют и неосновные: «дырки» в электронном полупроводнике и электроны в дырочном.

С повышением температуры соотношение между количествами основных и неосновных носителей тока изменяется. Как только растущая температура достигает определенного предела, у примеси истощаются запасы «резервных» электронов или теряется способность поглощать их. При этом тепловое движение атомов самого полупроводника настолько усиливается, что валентные электроны во множестве переходят в зону проводимости, и в полупроводнике начинает преобладать собственная проводимость, вызываемая и электронами, и «дырками». В этом и заключается одна из главных причин, ограничивающих допустимые температуры нагрева полупроводниковых приборов.

Помимо концентрации носителей электрического тока, большое влияние на проводимость оказывает их подвижность. Для германия подвижность электронов и дырок при 20 С соответственно равна 3800 и 1800 см2/В с. Наличие разного рода дефектов кристаллической решетки, примесей и тепловых колебаний атомов вызывает рассеивание носителей, снижая тем самым их подвижность.

Важной характеристикой полупроводников является также время жизни носителей электрического тока. В полупроводнике одновременно с процессом возникновения свободных электронов и дырок идет обратный процесс рекомбинации, в результате которого электроны из зоны проводимости вновь возвращаются в валентную зону, ликвидируя дырки. В результате этого концентрация носителей уменьшается. Для хорошей работы полупроводникового прибора время жизни носителей должно быть не меньше чем 10 5 с.

2.2. Полупроводники в электронике

Легируя полупроводники так, чтобы в одной области преобладали доноры, а в другой акцепторы, получают р n-переходы, на свойствах которых основана почти вся полупроводниковая электроника.

24

Рис. 4. Схемы диода: а без включения; б при прямом включении; в при обратном включении

Так, полупроводниковые выпрямители образуются путем со-

единения встык полупроводников с электронной (n) и дырочной (р) проводимостью. При этом на границе их соприкосновения образуется так называемый р n-переход (рис. 4).

В результате диффузии дырок и электронов навстречу друг другу граница полупроводников лишается свободных носителей заряда и электропроводность ее ухудшается. Получающийся слой с высоким сопротивлением называется запорным (рис. 4, а). При прямой полярности включения источника тока (плюс подведен к области с проводимостью р-типа) основные носители движутся в на-

телей во много раз меньше основных, то и ток, ими обусловленный, мал по сравнению с тем, который получается при прямом включении. При данном включении электронно-дырочный переход «заперт», и через него может протекать только малый обратный ток неосновных носителей (рис. 5).

25

Односторонняя проводимость тока в полупроводниках с р n- переходом используется для выпрямления переменного тока. В настоящее время промышленность выпускает селеновые, меднозакисные, германиевые и кремниевые выпрямители (диоды), параметры и свойства которых различны.

Рис. 6. Схема триода: а типа р n р; б типа n p n; в при включении в электрическую цепь

Полупроводниковые усилители (триоды) в отличие от дио-

дов состоят из трех слоев. По существу, триод представляет собой композицию из двух диодов, соединенных последовательно навстречу друг другу (рис. 6). Чтобы триод начал усиливать, его необходимо соединить с двумя внешними источниками тока, как показано на рис. 6, в. Между левым и средним полупроводниками ток приложен в направлении малого сопротивления, а между правым и средним в направлении большого сопротивления. Переход р n, включаемый в прямом направлении, называется эмиттерным, а переход р n, включаемый в обратном направлении, коллекторным. Средний полупроводник называется основанием или базой. В технике широко применяют германиевые и кремниевые полупроводниковые усилители.

Термисторы представляют собой полупроводниковые термосопротивления, в которых используется свойство полупроводников увеличивать электропроводность при нагреве. Для термисторов применяют смеси окислов некоторых металлов. Например, двуокись титана смешивают с окисью магния, закись никеля с окис-

26

лом лития и т.д. Медно-марганцовистые (ММТ) и кобальтомарганцовистые (КМТ) термисторы применяют для измерения температуры, для контрольно-измерительных приборов, а также для стабилизации напряжения.

Фотосопротивления (ФС) основаны на свойстве полупроводников увеличивать электропроводность под действием света. При этом в полупроводнике появляются дополнительные электроны и дырки, называемые неравновесными носителями. Фотосопротивления в основном изготавливаются из сернистого свинца, сернистого висмута и сернистого кадмия. Они имеют маркировку соответственно ФСА, ФСБ, ФСК. Полупроводники ФСА применяют вместо вакуумных фотоэлементов в звуковом кино; ФСБ используют в приборостроении и фотоэлектрической автоматике; фотосопротивление ФСК применяют в качестве фотореле благодаря его высокой чувствительности.

2.3. Материалы для полупроводниковых приборов

Среди элементов, обладающих свойствами полупроводников, наибольшее распространение получили германий, кремний, селен

(табл. 3).

Таблица 3

Характеристика элементов, обладающих свойствами полупроводников

27

Германий и кремний имеют много общего, но у каждого, естественно, есть свое, особенное. Оба элемента имеют кристаллическое строение, каждый атом в кристаллической решетке связан с четырьмя другими. Германий и кремний хрупки и тверды, обработка их может производиться лишь абразивным инструментом. В настоящее время это чаще всего алмазный инструмент. Германий менее тугоплавкий материал (tпл = 958 С) по сравнению с кремнием (tпл = 1414 С), поэтому он был очищен до полупроводниковой чистоты раньше, чем кремний. Обладает большей подвижностью электронов и «дырок» и применяется для производства высокочастотных диодов и триодов (рабочая частота до нескольких тысяч мегагерц). Германий имеет меньшую ширину запрещенной зоны по сравнению с кремнием, поэтому его электропроводность легче изменяется под воздействием внешних условий. Электропроводность германия, например, изменяется при воздействии даже инфракрасных лучей. Однако если длина волны инфракрасных лучей более 2 мкм, то они свободно сквозь него проходят. Таким образом, монокристаллы германия могут применяться как датчики излучения, фоторезисторы, фототранзисторы и как материалы инфракрасной оптики. Проводимость германия изменяется также при механической деформации германия, что используется в датчиках механических напряжений. Небольшая ширина запрещенной зоны обусловливает и основной недостаток всех германиевых приборов их относительно небольшую предельную рабочую температуру. Для

28

большинства германиевых приборов рабочий диапазон температур от 60 до +70 С.

Кремний. В противоположность германию кремний является одним из самых распространенных элементов в земной коре; его содержание в ней примерно 29 %. Однако в свободном состоянии в природе он не встречается, а имеется только в соединениях в виде оксида и в солях кремниевых кислот. Чистота природного оксида кремния в виде монокристаллов кварца иногда достигает 99,9 %; в ряде месторождений чистота песка достигает 99,8–99,9 %.

Технология получения кремния полупроводниковой чистоты включает в себя следующие операции: превращение технического кремния в легколетучее соединение, которое после очистки может быть легко восстановлено; очистка соединения физическими и химическими методами; восстановление соединения с выделением чистого кремния; конечная очистка кремния методом бестигельной зонной плавки; выращивание монокристаллов.

Проводимость кремния, как и германия, очень сильно изменяется из-за присутствия примесей. На рис. 7 приведены зависимости удельного сопротивления кремния и германия от концентрации примесей. Благодаря более широкой запрещенной зоне собственное удельное сопротивление кремния на три с лишним порядка превосходит собственное сопротивление германия.

Кремний является базовым материалом полупроводниковой электроники. Он используется как для создания интегральных микросхем, так и для изготовления дискретных полупроводниковых приборов.

Полупроводниковые интегральные микросхемы, отличающиеся малыми размерами и сложной конфигурацией активных областей, особенно широко применяются в вычислительной технике и радиоэлектронике.

Из кремния изготавливаются различные типы полупроводниковых диодов: низкочастотные (высокочастотные), маломощные (мощные), полевые транзисторы; стабилитроны; тиристоры.

29

Рис. 7. Зависимость удельного сопротивления простых полупроводников от концентрации примесей при температуре 20 С

Широкое применение в технике нашли кремниевые фотопреобразовательные приборы: фотодиоды, фототранзисторы, фотоэлементы солнечных батарей. Подобно германию кремний используется для изготовления датчиков Холла, тензодатчиков, детекторов ядерных излучений.

Благодаря тому, что ширина запрещенной зоны кремния больше, чем ширина запрещенной зоны германия, кремниевые приборы могут работать при более высоких температурах, чем германиевые. Верхний температурный предел работы кремниевых приборов достигает 180–200 С.

Селен. Этот элемент обладает рядом полезных электрических свойств. Он существует в нескольких аллотропных модификациях стеклообразной, аморфной, моноклинной, гексагональной. Плавится селен при температуре 220 С, хотя температура плавления неопределенна; кипит при температуре 685 С; все модификации селена превращаются в гексагональную кристаллическую при нагревании в интервале температур 180–200 С.

Селен широко распространен в земной коре, но обычно в малых концентрациях. Для получения селена используют отходы производства серной кислоты, накапливающиеся в пыльных камерах, или анодный шлам, получаемый при электролитической очистке

30