Полупроводники. Физические процессы в полупроводниках

Полупроводники – это вещества, основным свойством которых является сильная зависимость их электропроводности от воздействия внешних факторов.

По удельному сопротивлению, которое при комнатной температуре составляет 10^-6–10⁹ Ом·м, занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Удельное сопротивление полупроводников в большой степени зависит от внешних факторов, от вида и количества содержащихся в них примесей. Полупроводники имеют положительный температурный коэффициент удельной проводимости.

К полупроводникам относится ряд химических элементов (простые полупроводники): германий Ge, кремний Si, Селен Se и др.

Сложными полупроводниками являются бинарные соединения от А^I В^V (KSb и др. до А^VIIIВ^VI (Fe₂О₃ и др.), тройные соединения от А^IВ^VВ^VI₂ (СuSbS и др_.) до A^IVB^VB^VI₂ (PbBiSe₂и др.), твердые растворы: GeSi; GaAs_1-x P_x; и др.

К многофазным полупроводникам относятся: карбид кремния, графит, сцепленный керамической или другой связкой, т.е. тирит, силит и др. В настоящее время разрабатываются стеклообразные и жидкие полупроводники.

Специфические свойства полупроводников обусловили широкое техническое применение их для изготовления самых различных приборов – полупроводниковых диодов, транзисторов, тиристоров, фотодиодов, фототранзисторов, светодиодов, полупроводниковых лазеров, датчиков давлений, магнитных полей, температур, излучений и т.п.

Полупроводниковая электроника открыла новые пути к микроминиатюризации электронного оборудования. Изготовленные из полупроводников приборы обладают целым рядом преимуществ: большой срок службы, малые габариты и вес, простота и надежность конструкции, большая механическая прочность (не боятся тряски и ударов), отсутствие цепей накала, потребление небольшой мощности и малая инерционность.

При массовом производстве они экономически целесообразны. По механизму образования свободных носителей заряда полупроводники можно разделить на собственные и примесные. Собственными полупроводниками называют полупроводники, не содержащие донорных и акцепторных примесей.

1. Электропроводность полупроводников

Собственными называют полупроводники, не содержащие примесей. Примесными называют полупроводники, содержащие донорные или акцепторные примеси.

Механизм образования свободных носителей зарядов в собственном полупроводнике рассмотрим на примере кремния. Атом Si имеет на внешней электронной оболочке четыре валентных электрона. Каждый атом Si, находящийся в узле кристаллической решетки, связан парно-электронными ковалентными связами с 4-мя соседними атомами (рисунок 1, а).

Рисунок 1 –Si (а) и энергетическая зонная диаграмма собственного полупроводника (б)

При Т→0 К, а также при отсутствии других энергетических воздействий все валентные электроны задействованы в образовании связей, свободные носители зарядов отсутствуют и полупроводник по величине электропроводности соответствует диэлектрикам. При температуре, отличной от 0 К, а также при других энергетических воздействиях может произойти разрыв парно-электронной связи. При этом образуется свободный электрон в зоне проводимости. Энергию, которую необходимо сообщить электрону для разрыва ковалентной связи, называют энергией активации ΔW, которая соответствует ширине запрещенной зоны. Для Si она составляет ΔW =1,12 эВ (рисунок 1, б).

Рисунок 2 – Плоская модель кристаллической решетки: полупроводника n – типа (а) (кремния Si легированного мышьяком As) и энергетическая зонная диаграмма донорного полупроводника (б)

Если в Si или As в качестве примеси ввести мышьяк As – элемент V группы таблицы Менделеева, имеющего 5 валентных электронов, то пятый электрон As в ковалентной связи не участвует. Со своим атомом он связан кулоновской силой (рисунок 2, а) .

Рисунок 3 – Плоская модель кристаллической решетки: полупроводника ртипа (а) (кремния Si, легированного алюминия Al) и энергетическая зонная диаграмма акцепторного полупроводника (б)

Примесь, имеющая валентных электронов больше, чем необходимо для завершения связей с ближайшими атомами, называют донорной, а полупроводник с такой примесью – полупроводником с электронной электропроводностью (или n-типа).

Если в полупроводник IV группы ввести примесь элемента III группы, например Al, то все три валентных электрона алюминия будут участвовать в образовании ковалентных связей. Подобную примесь называют акцепторной, а полупроводник с такой примесью – полупроводником с дырочной электропроводностью (или р-типа).

2. Связь электропроводности полупроводника с концентрацией и подвижностью носителей заряда

При наличии внешнего электрического поля плотность тока, протекающего через полупроводник

(1)

где n – концентрация электронов зоны проводимости; е – заряд электрона;

v_n – скорость электронов.

Полная плотность тока через полупроводник

(2)  (3)

где µ_n и µ_p – подвижность свободных носителей зарядов.

Удельная проводимость электронного полупроводника равна сумме γ_пр и γ_соб удельных электрических проводимостей

(4)

где γ_{пр =} n_дeµ_n;

n_д – концентрация свободных электронов за счет донорной примеси.

В дырочном полупроводнике

(5)

где γ_пр = р_аeµ_p ;

р_а – концентрация дырок за счет акцепторной примеси.

3. Зависимость электропроводности полупроводников от воздействия внешних факторов

При Т→0 К (участок 1–2) концентрация свободных носителей заряда определяется фоновыми носителя, имеющимися в полупроводнике из-за несовершенства технологии, нарушений кристаллической структуры или неконтролируемых примесей (рисунок 4, а) При повышении температуры электроны с донорных уровней переходят в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторные уровни. Чем выше температура, тем большее число примесных атомов активировано (участок 2–3).

Когда тепловой энергии достаточно для полной активации примесей (точка 3), происходит истощение примесных уровней. Все электроны донорной примеси перейдут в зону проводимости, а все атомы акцепторной примеси захватят из валентной зоны максимально возможное количество электронов. При дальнейшем повышении температуры концентрации свободных носителей заряда остается постоянной (область 3–4), так как примесные уровни истощены, а энергия теплового поля недостаточна для активации собственных носителей заряда.

В точке 4 тепловой энергии будет достаточно для активации собственных носителей заряда в полупроводнике. Начинаются переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости, и чем выше температура, тем больше актов активации собственных носителей заряда (участок 4–5).

Рисунок 4 – Зависимость концентрации свободных носителей зарядов от температуры: Т полупроводника (а); зависимость проводимости от температуры Т полупроводника (б)

Зависимость электропроводности примесного полупроводника от обратной температуры (рисунок 4, б) имеет аналогичный характер, как на рисунке 4, а. На переходном участке (3–4) примеси истощены, а небольшое снижение электропроводности обусловлено рассеянием свободных носителей зарядов на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки.

4. Термоэлектрические явления в полупроводниках

К термоэлектрическим явлениям, то есть к явлениям, связанным со взаимным превращением тепловой энергии и энергии электрического поля в проводниках и полупроводниках, относятся три эффекта: эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона.

Эффект Зеебека. В замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных полупроводников, места соединения которых находятся при различных температурах ∆T≠0, возникает электрический ток, который называется термоэлектрическим. На концах такой разомкнутой цепи появляется разность потенциалов U_т, которая носит название термоЭДС. Величина этой разности потенциалов характеризуется коэффициентом α.

(6)

где, α – коэффициент термоЭДС, который зависит от материалов термопары и интервала температур.

Рисунок 5 – Принципиальная схема последовательно соединенных спаев

Эффект Пельтье: при прохождении тока через контакт двух последовательно соединенных разнородных полупроводников место соединения нагревается или охлаждается в зависимости от направления тока.

Количество теплоты:

(7)

где П – коэффициент Пельтье;

I – величина тока, протекающего через контакт; t – время прохождения тока;

Томсон установил связь: α = П/Т.

Эффект Томсона: при прохождении тока через полупроводник, вдоль которого есть градиент температуры, в дополнении к теплоте Джоуля, в зависимости от направления тока, выделяется или поглощается некоторое количество тепла.

Теплота Томсона:

(8)

где τ − коэффициент Томсона.

Между всеми термоэлектрическими явлениями существует связь.

(9)

Терморезистор – полупроводниковый прибор, действие которого основано на зависимости электрического сопротивления от температуры.

Терморезисторы:

• кобальто-марганцевые;
• медно-марганцевые;
• медно-кобальто-марганцевые.

Варистор – полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании зависимости электропроводности (сопротивления) n/n от напряженности электрического поля. В качестве материалов для изготовления варисторов используют карбид кремния, селен.

Е_КР – критическая напряженность электрического поля: минимальная напряженность, при которой начинается сильная зависимость концентрации и подвижности свободных носителей зарядов от Е. Закон Френкеля:

Рисунок 6 – Зависимость электропроводности полупроводника от напряженности приложенного напряжения: (участок 1–2) выполнение закона Ома; (участок 2–3) увеличение концентрации свободных носителей заряда под действием внешнего электрического поля.

(10)

(11)

Гальваномагнитный эффект Холла. Если пластину полупроводника, вдоль которой течёт электрический ток I, поместить в магнитное поле B, направленное перпендикулярно направлению тока, то в полупроводнике возникнет поперечное электрическое поле Е, направленное перпендикулярно току и магнитному полю.

Рисунок 7 – Схема возникновения ЭДС Холла U_Х

(12)

Для полупроводника n-типа:

(13)

Для полупроводника p-типа:

(14)

Для собственного полупроводника:

(15)

5. Контакт электронного и дырочного полупроводника (p-n переход)

Если полупроводник в одной своей части обладает электронной, а в другой – дырочной электропродностью, то граница между этими областями называется электронно-дырочным или (p-n) переходом.

Модели полупроводника с электронной и дырочной электропроводностью представлены на рисунке 8, где показана полупроводниковая пластина. Каждая часть пластины до контактирования электрически нейтральна, так как существует равновесие свободных и связанных зарядов. Концентрация свободных электронов в n-области больше, чем в p-области, а дырок в p-области больше, чем в n-области. В приграничной области возникает диффузионное поле E_д (рисунок 8, а), которое будет препятствовать дальнейшему перемещению зарядов. При отсутствии внешнего электрического поля образуется запирающий слой.

Если к такой системе приложить внешнее электрическое поле Е, напряжение которого совпадает с диффузионным электрическим полем E_д, то переход будет «заперт» и ток не будет протекать (рисунок 8, б).

Рисунок 8 – Принцип действия полупроводникового выпрямителя: а – идеальный переход в отсутствие внешнего напряжения; б – реальный переход заперт; в – через переход проходит прямой ток большой величины

При изменении полярности приложенного электрического поля Е оно будет направлено противоположно диффузионному электрическому полю E_д.

При этом переход будет насыщаться носителями зарядов, он «открывается» и через него будет протекать «прямой» ток (рисунок 8, в).

6. Классификация и область применения полупроводников

Простые полупроводники

Германий – один из первых полупроводников, получивший широкое практическое применение в производстве полупроводниковых приборов. Его используют для изготовления выпрямительных и импульсных диодов, транзисторов, фотодиодов, фоторезисторов, тиристоров, тензометров и т.д.

Кремний – элемент IV группы таблицы Менделеева. В технологическом отношении кремний более сложен, чем Ge, т.к. имеет высокую температуру плавления 1420 ^оС и в расплавленном состоянии весьма активен. Кремний применяют для различных диодов, транзисторов, тиристоров, стабилитронов, фотодиодов, датчиков Холла, тензометров, интегральных схем и других полупроводниковых приборов.

Из простых элементов для изготовления полупроводниковых приборов применяются элементы элемент VI группы селен (Se) и теллур (Те).

Таблица 1 – Электрическая активность легирующих примесей в германии и кремнии

Сложные полупроводники

Карбид кремния SiC – это соединение элементов IV группы кремния и углерода (A^ivB^iv), соответствующее формуле SiC_х (х=1), содержит 70% Si и 30% C (по весу). SiС производят в дуговых электропечах спеканием кварцевого песка SiO₂ и кокса (С). Чистые кристаллы SiС бесцветны, примеси и преобладание Si или С окрашивают в разные цвета. Электропроводность (g) кристаллов SiC при 20 ^°С примесная и колеблется в широких пределах.

По мере увеличения приложенного напряжения электропроводность (g) быстро растет, обуславливая нелинейную ВАХ тонкого резистора, получившего название варистор.

SiC применяется в электротехнике:

• для резисторов вентильных разрядников, защищающих ЛЭП от перенапряжений;
• для нагревателей высокотемпературных электропечей;
• для игнитронных поджигателей и т.п.

Зерна в варисторах SiC скрепляются связующим веществом. В качестве связки используют глину, ультрафарфор, жидкое стекло и др.

7. Ограничители перенапряжений

Необходимость безопасного способа доставки и соблюдения параметров качества электроэнергии требуется для безаварийной и продолжительной работы электрооборудования. Это касается и промышленности, и повседневной деятельности. Кратковременное многократное превышение номинального напряжения в электрической сети представляет особую опасность для потребителей. Такое явление называется перенапряжением. Причинами перенапряжений являются грозовые явления и коммутационные процессы внутри электрических установок. Можно выделить следующие причины перенапряжений: резкий скачок нагрузки в распределительной системе; неисправности энергоустановок, которые вызывают КЗ; фактор участия человека; грозовой разряд вблизи линии электропередачи; удар молнии в саму линию электропередачи.

Электрическое оборудование может быть выведено из строя импульсами высокого напряжения, которые могут достигать очень высоких значений и стать причиной пожаров и взрывов. Чтобы защитить оборудование от подобных превышений напряжения, применяются ограничители перенапряжения. Их простая конструкция и надежность позволила им найти широкое применение в электроэнергетике. Эти изделия защиты сменили морально устаревшие, громоздкие вентильные разрядники. В ограничителях перенапряжений используются нелинейные резисторы в качестве основного рабочего элемента. Их выполняют из материала, в основной части содержащего окись цинка.

Основным элементом ограничителя перенапряжения является варистор. Варистор играет роль нелинейного переменного резистора. Ограничители перенапряжений состоят из варисторов, которые помещают в фарфоровом или полимерном корпусе. Конструкция ОПН разработана с учетом условий взрывобезопасности в случае возникновения ТКЗ. ОПН могут быть разными. Это зависит от их назначения и места установки. Ограничители для защиты ЛЭП и оборудования промышленных объектов включают в свою конструкцию контактный болт на крышке корпуса для подключения к сети.

Рисунок 9 – Конструкция ОПН

Рассмотрим конструкцию ограничителей перенапряжения на примере ОПН 10 КВ. Колонка варисторов размещена под изоляционной оболочкой. Для разных конструкций и необходимых характеристик устройства колонок может быть несколько. Стеклопластиковая труба используется в качестве оболочки. Она способна воспринимать механическую нагрузку и обеспечивает устройству необходимую прочность. Методом бесшовного прессования в стеклопластиковую трубу установлена трекингостойкая кремнийорганическая резина, образующая ребристую защиту. Два вывода в виде фланцев зажимают колонку варисторов с обеих сторон. Они изготовлены из электротехнического алюминия, стойкого к коррозии. ОПНы хорошо герметизированы. Это достигается за счет крепкого соединения фланцев и заполнения внутреннего объема трубы желеобразным кремнийорганическим каучуком. При внутреннем пробое внутри трубы ограничителя сделаны отверстия, закрытые защитной оболочкой, что позволяет произвести сброс внутреннего давления устройства, не разрушая его на части.

Защитная функция ОПН достигается таким образом: при появлении опасного перенапряжения для изоляции через ограничитель перенапряжений протекает большой импульсный ток (так как нелинейность резисторов высока), соответственно уровень перенапряжения снижается до безопасного для изоляции оборудования.

При работе оборудования в нормальном режиме ток, проходящий через ограничитель, соответствует десятым долям миллиампера и имеет емкостный характер. При перенапряжениях резисторы ОПН переходят в проводящее состояние. Таким образом резисторы блокируют нарастание перенапряжения до безопасного уровня изоляции защищаемой электроустановки. ОПН возвращается в непроводящее состояние после снижения перенапряжения.

Вольтамперная характеристика ОПН включает в себя 3 участка: области малых, средних и больших токов (рисунок 10).

Рисунок 10 – Вольтамперная характеристика ОПН: 1 – область малых токов, 2 – область средних токов, 3 – область больших токов

В первой области, показанной на ВАХ, варисторы работают с рабочим напряжением, не превышающим допустимое (варисторы с высоким сопротивлением пропускают через себя маленький ток утечки). Если в сети возникает перенапряжение, варистор переходит в режим средних токов. Тогда на вольтамперной характеристике происходит перегиб на границе 1 и 2 областей. Ощутимо уменьшается сопротивление варисторов, и через них протекает кратковременный импульс тока. Энергия импульса поглощается варистором и рассеивается в окружающую среду в виде тепла. Импульс перенапряжения резко уменьшается за счёт такого поглощения энергии. Последняя область для ограничителя, третья, это аварийная область, где вновь резко возрастает сопротивление варисторов.

Сегодня производится много различных конструкций ОПН, их различают по следующим признакам: величине рабочего напряжения, типу изоляции (фарфор или полимер), конструктивному исполнению (одна или несколько колонок) и по месту установки ограничителя.

Рисунок 11 – Различные виды ОПН

Для удобства проектирования электрических сетей у ограничителей перенапряжения имеются основные технические характеристики:

1. Наибольшее напряжение, при котором ограничитель сохраняет работоспособность в течение неограниченного времени, называется максимально действующим напряжением.
2. Напряжение, воздействие которого ОПН выдерживает в течение 10 минут, называется номинальным напряжением.
3. Ток в цепи нелинейных резисторов под воздействием номинального приложенного напряжения называется током проводимости. Эта величина имеет очень маленькое значение.
4. Номинальный разрядный ток определяет выбор ОПН для работы в грозовом режиме.
5. Величина тока, определяющая выбор устройства при коммутационных перенапряжениях, называется расчетным током коммутационного перенапряжения.
6. Токовая пропускная способность. Эта характеристика должна соответствовать классу разряда линии.
7. Способность ограничителя противостоять токам КЗ, сохраняя при этом защитную оболочку , называется устойчивостью к короткому замыканию.