ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПА ПРОВОДИМОСТИ
ПОЛУПРОВОДНИКА
Учебно-методическое пособие для вузов
Составители:
Л.Н. Владимирова,
Е.Н. Бормонтов,
В.И. Петраков
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета
2009
Стр.1
Т Е О Р Е Т И Ч Е С К А Я Ч А С Т Ь
Все вещества в природе по своим электрофизическим свойствам могут
быть разделены на три больших класса: металлы, полупроводники и
диэлектрики. Наиболее проста классификация веществ по их удельному
электрическому сопротивлению. У металлов эта величина лежит в пределах
от 10-6 до 10-4Ом · см. Группа веществ с удельным сопротивлением от
10-4 до 1010Ом · см может быть отнесена к полупроводникам. Наконец, вещества
с удельным сопротивлением более 1010Ом · см относятся к классу
диэлектриков.
Из приведенных данных видно, что резкого изменения в величине
удельного сопротивления при переходе от одного класса веществ к другому
не существует. Для полупроводников и диэлектриков это отражает их
принципиальное качественное сходство. Более cущественно различаются
по своей природе металлы и полупроводники.
Рассмотрим механизм проводимости типичного полупроводника –
кремния (Si). Распределение электронов по состояниям в атоме кремния
следующее:
Si
(14)
(
1 2 2 33
s s p sp
2
2
6 22
)
Наивысшая валентность кремния, находящегося в IV группе Периодической
системы, равна четырем. При образовании кристаллической решетки
кремния в результате полной гибридизации электронных 3s и 3p облаков
каждый атом кремния участвует в формировании четырех одинаковых ковалентных
(парноэлектронных) связей. Схематически кристаллическая
решетка Si с ковалентным типом связи представлена на рис. 1а. Здесь в узле
решетки находится атом кремния, которому принадлежат четыре валентных
электрона, изображенные на рис. 1 черными точками.
В целом система, представленная на рис. 1а, электронейтральна. Если
поместить ее в электрическое поле, то электрический ток в ней не воз3
Стр.3
Наряду с собственным полупроводником, практически беспримесным,
существуют полупроводники, в которые специально введены определенного
сорта примеси в контролируемых количествах. Такой полупроводник,
называется примесным, а проводимость, созданная введенной
примесью, носит название примесной проводимости. Рассмотрим модель
механизма проводимости кремния, в котором один из атомов в узле кристаллической
решетки замещен атомом элемента V группы – фосфора.
В решетке кремния четыре валентных электрона атома фосфора вместе
с четырьмя электронами ближайших атомов кремния объединены в парноэлектронные
связи, как это схематически представлено на рис. 3а. Пятый
электрон не может реализовать свою валентную возможность, поэтому он
слабо связан с атомом фосфора, но при низких температурах локализован
около него. При повышении температуры этот электрон будет легко покидать
атом примеси – фосфор и сможет свободно перемещаться по кристаллу.
Отдавший электрон атом примеси станет положительным ионом. В этом случае
доминирующую роль в проводимости кристалла будут играть электроны,
и поэтому они называются основными носителями заряда, а дырки – неосновными
носителями заряда. Такой полупроводник называется электронным,
или донорным, или n-типа (n – negativ, отрицательный), а примесь,
отдающая электроны, носит название донорной.
а)
6
б)
Рис. 3. Схематическое изображение кристаллической решетки донорного (а)
и акцепторного (б) полупроводников
Стр.6
На энергетической диаграмме наличие примеси в решетке полупроводника
будет характеризоваться появлением локального уровня, лежащего
в запрещенной зоне. Так как при ионизации атома фосфора образуется
свободный электрон, и для его отрыва требуется значительно меньшая
энергия, чем для разрыва валентных связей кремния, то энергетический
уровень донорной примеси d
E должен располагаться в запрещенной зоне
на небольшой глубине под дном зоны проводимости (рис. 4а).
Рис. 4. Энергетическая диаграмма донорного (а) и акцепторного (б)
полупроводников
Пусть теперь в качестве примеси в кристаллическую решетку кремния
внесен элемент третьей группы – бор. Поскольку высшая валентность
бора равна трем, то одна связь атома кремния в решетке будет не завершена
из-за отсутствия у бора четвертого электрона (рис. 3б).
Незавершенную связь кремния с атомом бора за счет тепловой энергии
может восстановить электрон, перескочивший от соседнего атома
кремния. При этом образуется отрицательный ион бора, а на месте отдавшего
электрон атома кремния – свободная дырка, перемещающаяся от
атома к атому кремния и, следовательно, принимающая участие в проводимости
кристалла. Примесь, захватывающая электроны, называется акцепторной.
В таком полупроводнике основными носителями заряда будут
дырки, а электроны – неосновными носителями заряда. Полупроводник с
акцепторной примесью носит название дырочного, или акцепторного,
или p-типа (p – positiv, положительный).
7
Стр.7
На энергетической диаграмме, изображенной на рис. 4б, акцепторная
примесь имеет в запрещенной зоне энергетический уровень a
E , расположенный
на небольшом расстоянии над потолком валентной зоны. При ионизации
акцепторной примеси происходит переход электрона из валентной
зоны на уровень a
E , а в валентной зоне появляется незавершенная связь –
дырка, которая и является свободным носителем заряда.
В полупроводниках могут одновременно содержаться как донорные,
так и акцепторные примеси. Такие полупроводники называются
компенсированными.
Определение типа проводимости является обязательной операцией в
процессе контроля качества полупроводниковых материалов. Наиболее
распространенным методом определения типа проводимости является
термоэлектрический метод (метод термозонда) и метод вольтамперной характеристики
выпрямляющего контакта металла с полупроводником.
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД
Метод основан на возникновении термо-ЭДС на концах полупроводника,
находящихся при различных температурах.
Рассмотрим однородный полупроводник при наличии в нем градиента
температуры. Средняя энергия носителей заряда и их концентрация будут
больше там, где выше температура. Следовательно, градиент (перепад)
температуры в однородном полупроводнике приводит к градиенту средней
энергии носителей заряда и градиенту их концентрации, вследствие чего
возникает диффузионный поток носителей и появляется электрический
ток. В разомкнутой цепи в стационарном состоянии плотность тока в любой
точке образца равна нулю. Это означает, что электрический ток, обусловленный
градиентом температуры, компенсируется током, возникающим
в электрическом поле при разделении зарядов. На образце возникает
термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС).
8
Стр.8