Полупроводниците представляват обширна група вещества, които по своята електрическа проводимост заемат средно място между проводниците и изолаторите. Към тях спадат силиций, германий, селен, меден окис, кадмиев сулфит, силициев карбид, галиев арсенид, индиев антимонид, оловен сулфид и др.

Още първите полупроводникови елементи, макар и несъвършени имат редица преимущества пред ламповите. Поради това към тях насочват вниманието си голям брой специалисти от различни народности. В 1953 г. Крьомер създава дрейфовия транзистор, 1954 г. са създадени мощните силициеви диоди, 1960 г. планарно-епитаксиалната технология, през 1964 г. се появяват първите интегрални схеми.

Всеки атом се състои от ядро с положителен електрически заряд, около което обикалят електрони. На фиг. 1.1 са показани схематично атомите на водорода, силиция и германия. Положителния заряд на ядрата е равен на сумарния отрицателен заряд на обикалящите около ядрото електрони и поради това като цяло атома е електрически неутрален. Електроните се движат около ядрото по твърде сложни кръгови и епилептични орбити, като максималния брой на електроните в първата (тай-близката до ядрото) орбита може да бъде 2, във втората 8, в третата 18, в четвъртата – 32 и т.н. електроните от най-външната орбита играят най-голяма роля при образуването на молекулите и кристалите. Те се наричат валентни електрони, тъй като техния брой определя валентността на химичните елементи. Валентните електрони са най-отдалечени от ядрото и са най-слабо свързани с него.

При определени условия (например удар между частиците вследствие на топлинните им движения, на електрическо поле, на облъчване с различни лъчи и др.) електроните могат да напуснат атома. В такъв случай положителните заряди в ядрото няма да бъдат неутрализирани и атомът става положително наелектризиран. Възможно е не само откъсване но и присъединяване на електрони към атома и в този случай той става отрицателно наелектризиран. Откъсването и присъединяването на електрони се нарича йонизация и няма нищо общо с разбиване на атома, в който случай се изменя структурата на атомното ядро. Едновременно с йонизацията във веществото се наблюдава и обратния процес – рекомбинация, при който положителни йони се свързват с електрони, а отрицателните губят електрони и така се превръщат отново в електрически неутрални атоми.

Електроните могат да се движат около ядрото не по произволни а само по строго определени орбити. Това означава, че те могат да получават или отдават само строго определени “порции” енергия наречени кванти.

На фиг. 1.2 са показани два несвързани водородни атома. Когато двата атома се доближат един до друг, електроните им започват да обикалят по една и съща орбита, обща за двата атома (фиг. 1.2б). По такъв начин електроните създават здрава връзка между ядрата, защото силата на отблъскване между ядрата не им дава възможност да се доближат твърде много, а силата на привличане между всеки електрон и всяко ядро не им позволява да се отдалечават. Получената молекула е устойчива и този тип връзка се нарича ковалентна.

При кристалите отделните атоми са свързани помежду си, като образуват кристална решетка. Всички полупроводници имат кристален строеж. По-нататък ще разгледаме явленията в силиция, като напомняме, че в германия и другите полупроводници картината е аналогична.

На фиг. 1.3 а е показана кристалната решетка на силиций, а на фиг. 1.3 б е изобразена една, елементарна клетка от силициев кристал, като за яснота един централен атом и четири съседни атома са начертани плътно.

На фиг. 1.4 а е показан същия централен атом и четирите му съседни атома, като са изобразени и орбитите на общите електрони. Тази проекция на пространствения модел не е нагледна и затова по-нататък ще си служим с равнинния модел на фиг. 1.4 б. От този модел се вижда, че всеки атом е свързан с четири съседни атома чрез двойки общи електрони.

Обръщаме внимание върху следната особеност. В нормалния случай около ядрото на силиция обикалят всичко 14 електрона, като валентните електрони в най-външната орбита са 4. Тъй като електроните от вътрешните орбити не участват в електрическата проводимост на веществото, за улеснение по-нататък ще изобразяваме само четирите валентни електрона на силиция и ще считаме, че ядрото има не 14, а 4 положително товара (фиг. 1.4 б).

Известно е, че електрическия ток представлява насочено движение на свободни токоносители (заредени частици. В зависимост от наличността на токоносители и от условията за тяхното насочено движение веществата се разделят на диелектрици (изолатори) и проводници.

В диелектриците практически липсват свободни токоносители (фиг. 1.5 а) и поради това при полагане на електрическо поле през тях не протича ток.

При проводниците картината е по-друга. Почти всички метали имат кристален строеж. Тяхната кристална решетка е изградена от положително йони, които се намират във възлите и. Между йоните имат голям брой свободни електрони, които вследствие на топлинната енергия се движат хаотично в най-различни посоки (фиг. 1.5 б). Според кинетичната теория средната кинетична енергия на свободните електрони е пропорционална на абсолютната температура на проводника:

Т – абсолютната температура на проводника.

Оттук следва, че с повишаване на температурата кинетичната енергия на елементарните частици нараства, а при абсолютната нула (-273) хаотичните топлинни движения на тези частици намаляват.

Ако в проводника приложим електрическо поле, на всеки свободен електрон ще действува сила с големина:

Е – интензитетът на полето в проводника;

Посоката на силовите линии на полето е положителна към отрицателния полюс. Понеже електроните са отрицателно заредени частици, под действието на споменатата сила те започват да се движат срещу полето (фиг. 1.5). По такъв начин при наличност на електрическо поле свободните електрони в проводника се движат не само хаотично, но и насочено, с някаква средна скорост (дрейфова скорост). В резултатна това през даденото сечение на проводника за единица време се пренася определено количество електричество, т.е. притича електрически ток. Нека добавим, че електрическото поле действува и на положителните йони на кристала, обаче те са здраво свързани с кристалната решетка и не участват в процеса на протичане на електрическия ток.

Може би не е излишно да припомним, че електроните на различните проводници са съвършено еднакви. Ето защо при преминаване на ток през различни последователни свързани твърди проводници видими изменения във веществото не се наблюдават.

Известно е, че различните проводници не провеждат еднакво добре електрическия ток. Електрическото съпротивление се намира по формулата:

Реципрочната стойност на специфичното съпротивление се нарича специфична проводимост.

Тя се измерва в сименс/метър и при различните вещества има различни стойности.

Колкото концентрацията на свободните токоносители (при равни други условия) е по-голяма, толкова даденото вещество е по-добър проводник. Важно е да се запомни, че при някой вещества (например металите) концентрацията не зависи от температурата, докато при други (например полупроводниците) тя зависи силно от температурата.

Подвижността на токоносителите зависи от температурата, като при по-висока температура намалява, защото тогава топлинните движения на всички елементарни частици става по-интензивни и това затруднява насоченото движение на токоносителите.

Една от основните формули във физиката на твърдото тяло изразява зависимостта между концентрацията на токоносителите, тяхната подвижност за дадено вещество и проводимостта на това вещество:

Дифузията намира широко приложение в технологията на полупроводниковите елементи, а също така лежи в основата на действието при някой от тях. Ще разгледаме накратко това явление.

Коефициентът на дифузията D е величина, която се определя, като от частите, така и от веществото, в което те проникват.

Коефициентът на дифузия е величина, тясно свързана както с подвижността на частиците, така и с температурата на веществото. Връзката между тях се дава с формулата на Айнщайн:

к - константа на Болцман;

Т – абсолютната температура;

Ако по някакъв начин причината концентрация на токоносителите в единия край на кристала е по-голяма от другия (фиг. 1.7), вследствие на дифузията ще се появи насочено движение на токоносители, т.е. ще протече дифузионен ток. Доковава се, че плътността на дифузионния ток (т.е. стойността на тока през единица сечение) се дава с формулата:

Очевидно дифузионния ток ще бъде толкова по-голям, колкото са по-големи коефициентът на дифузията и концентрационния пад. Знакът минус се поставя, защото посоката на тока е противоположна на посоката на нарастване на концентрацията на частиците.

Електрическите свойства на полупроводниците не могат да бъдат обяснени напълно със законите на класическата физика. Ето защо ще се запознаем накратко със зонната теория, която е част от квантовата механика.

Електроните обикалят по твърде сложни орбити. При движението им центробежната сила се уравновесява със силата на привличане между положителното ядро и отрицателните електрони. Намирайки се на дадена орбита, електроните притежават точно определена енергия. Енергията на електрона е неговата основна характеристика, която обуславя поведението на твърдото тяло.

Едно от основните положение на квантовата механика, е че енергията на електрона може да има само определени стойност. Възможните стойности, които може да взема енергията на електрона се нарича енергийни нива. За да премине електронът от по-ниско енергийно ниво към по-високо, той трябва да получи енергия отвън. Обратно, при преминаването от по-високо към по-ниско ниво, електронът отдава енергия.

Такава е енергийната картина при отделните атоми, когато те не са свързани помежду си.

За да премина електрон от една зона в следващата по-горна, той трябва да получи енергия, по-голяма от широчината на забранената зона.

В полупроводниковата техника интерес представляват само двете най-горни енергийни зони – валентната зона и зоната на проводимостта и забранената зона между тях. Електроните във валентната зона (валентните електроните) имат сравнително малка енергия, която не им позволява да се откъснат от атома. Вследствие на топлинните движения на атомите валентните електрони изпитват удари и могат да повишат енергията си. Ако допълнителната енергия, която те са получили е по-малка от широчината на забранената зона, те не напускат атома и продължават да бъдат валентни електрони. Ако допълнителна та енергия е по-голяма от широчината на забранената зона, електроните преминават в зоната на проводимостта и се превръщат в свободни електрони, които определят електрическата проводимост на веществото.

Понастоящем за направата на полупроводникови елементи най-широко се използват силиция, германия и селенът. Полупроводниците се разделят на две големи групи.

Главните особености, които характеризират всички полупроводници са следните:

1. По своята електрическа проводимост (при стайна температура) чистите полупроводници заемат средно място между проводниците и изолаторите (фиг. 1.9). Оттук е дошло и тяхното наименование;

2. Прибавянето на нищожен процент примеси извънредно силно повишава естествената електрическа проводимост на полупроводниците;

3. Температурата особено силно влияе върху електрическото съпротивление на полупроводниците, като с нейното повишаване съпротивлението им намалява. Следователно за разлика от металите полупроводниците имат отрицателен температурен коефициент на съпротивлението;

4. Механизмът на електрическата проводимост на полупроводниците се различава качествено от този на металите. При металите електрическата проводимост е само електронна, а при полупроводниците тя е електронна и дупчеста.

Той се основава на факта, че разтворимостта на повечето примеси е по-голяма в течна фаза отколкото в твърда. Ето защо при постепенното охлаждане на разтопения полупроводник във втвърдените части ще има по-малко примеси отколкото в останалите течни части. Осъществява се, като силициевата отливка се поставя в продълговат графитен съд. Той се вкарва в кварцова тръба, през която циркулира водород, за да не се окислява силиция. Около тръбата е навита бобина, през която тече голям високочестотен ток и стопява част от отливката, обхваната от бобината. Когато бобината се движи бавно спрямо тръбата, стопеният участък също се мести от единия край към другия. При това местене в стопената зона остават чуждите примеси, а останалата част, която изстива, е вече пречистена. Ако тази операция се повтори много пъти или ако кварцовата тръба се направи дълга и върху нея се поставят няколко бобини, може да се получи извънредно чист силиций.

Таблица 1.1

Чистият полупроводник, в който няма примеси, се нарича още собствен проводник. Нека разгледаме неговите свойства при положение, че в кристала липсват дефекти.

При температура 0 К (абсолютната нула) всички електрони на полупроводника се намират на своите орбити, т.е свободни електрони липсват (фиг. 1.11). При това положение, ако в полупроводника се създаде електрическо поле, насочено движение на електрически товари няма да има и ток няма да тече. Следователно при абсолютната нула всички полупроводници са идеални диелектрици.

При повишаване на температурата топлинното движение на частиците става по-интензивно и някой валентни електрони се откъсват от атомите и стават свободни електрони. Откъсването обаче на един електрон от даден атом води до нарушаване на електрическата неутралност, защото положителния заряд на ядрото остава некомпенсиран и атомът се превръща в положителен йон. При полупроводниците откъснатия се електрон е общ за два съседни атома и положителния заряд, който се появява на мястото на електрона, принадлежи по-скоро към самата връзка, отколкото към кой да е от атомите. Така възникналият положителен заряд се нарича дупка и игра важна роля при електрическата проводимост на полупроводниците (фиг. 1.12.).

Понеже електрическата проводимост зависи от концентрацията на свободните токоносители, определянето на собствената концентрация е важен въпрос. От самия механизъм на възникване на електрони и дупки следва, че с увеличаване на температурата ще расте и собствената концентрация. Тази зависимост се дава с:

където а е константа, характерна за полупроводника;

Т – абсолютната температура;

е - основата на натуралните логаритми;

к – константа на Болцман.

От тази формула следва, че собствената концентрация нараства твърде силно (експоненциално) с увеличаване на температурата. Силната температурна зависимост се дължи на експоненциалния показател. Поради това неголеми разлики в широчината на забранената зона водят до значителни разлики в концентрациите.

Собствената проводимост на силиция е три порядъка по-малка от тази на германия, което се дължи на по-голямата широчина на забранената зона.

Едновременно с топлинното генериране на свободни електрони и дупки се извършва и рекомбинация, при което електроните взаимодействат с дупките. По такъв начин се запазва равновесието.

Дупката може да се оприличи на положителен заряд, който може да привлича електрон. В кристала има хаотично движение на електрони и дупки. Когато се приложи външно насочено поле Е, движението придобива насочен характер. Тъй като дупките са положителни те се движат по посока на полето, а електроните са отрицателни и се движат срещу полето. Така породеният ток за разлика от дифузния се нарича дрейфов.

Строго погледнато в чистия полупроводник реално се движат само електроните. По своето движение обаче те се разделят на две категории. Към първата спадат свободните електрони, които имат значителна енергия и се движат свободно между атомите. Към втората категория спадат валентните електрони, които имат по-малка енергия и се движат скокообразно от атом на атом.

Теорията и практиката показват, че е по-удобно да пренебрегнем скокообразното движещите се електрони и вместо тях да въведем фиктивни положителни частици, наречени дупки, които се движат в противоположна посока. Една такава замяна значително улеснява разбирането и изучаването на явленията в полупроводниците.

Електронната проводимост има същия характер както при металите:

Дупчестата проводимост се изчислява по:

Стойностите на подвижностите на електроните са дадени в таблица 1.1.

По-голямата подвижност на електроните от тази на дупките се дължи на това, че електроните де движат сравнително свободно между атомите, а дупките представляват скокообразно движещи се електрони.

Резултатната собствена специфична проводимост на чистия полупроводник, дължаща се на топлината, е сума от електронната и дупчестата проводимост:

Тази зависимост показва, че собствената специфична проводимост на полупроводниците е пропорционална на собствената концентрация и на подвижността на електроните и дупките.

Плътността на резултатния ток се изчислява с:

При увеличаване на температурата подвижността намалява:

Резултатът от тези две противоположни зависимост е такъв, че при повишаване на температурата решаваща роля играе увеличаването на концентрацията на електрони и дупки. Ето защо собствената специфична проводимост на полупроводниците нараства експоненциално при повишаване на температурата. Това е основна зависимост при всички полупроводници.

При добавяне на нищожно количество примеси проводимостта рязко се увеличава.

Примесите, които предизвикват преобладаване на електрони се наричат донори, а тези които предизвикват преобладаване на дупки акцептори.

Проводимостта, получена чрез прибавяне на примеси, се нарича примесна проводимост и именно тя играе главна роля при протичането на електрически ток в полупроводниковите елементи. Очевидно е, че с увеличаване на концентрацията на примесите електрическата проводимост на полупроводниците нараства. Ако обаче тази концентрация стане извънредно голяма, електрическите свойства на полупроводника стават се приближават до свойствата на металите а самите полупроводници се наричат изродени. Изродените полупроводници се използват за направата на тунелни диоди и полупроводникови генератори на светлина (лазери).

Идеален полупроводников кристал е този, който се състои само от еднакви атоми, разположени на еднакво разстояние един от друг. На практика обаче идеален кристал няма. Ние ще приемем, че кристалната решетка е идеална.

Техническата обработка на силиция продължава с разтапяне, при което към чистия силиций се прибавя строго определен процент примесно вещество (легиране на силиция). Р силиция е кристал който има следните частици (фиг. 18).

По същия начин се представя и N силиций (фиг. 1.19)

1. Закон за действащите маси. При дадена температура на произведението от концентрациите на електрони и дупки както в чистия, така и в примесния полупроводник е постоянна величина. За стайна температура този закон се изразява с:

2. Закон за електрическата неутралност. Броят на всички положителни товари е равен на броя на всички отрицателни

На фиг. 1.20а е показано условно протичане на електрически ток през N силиций. Виждаме, че свободните електрони (основни токоносители) се движат срещу полето, а нищожния процент дупки (неосновни токоносители) се движат по посока на полето.

На фиг. 1.20.б е показано условното протичане на електрически ток през Р силиций. Дупките (основните токоносители) се движат по посока на полето.

Р и N силиция взети по отделно имат двупосочна проводимост.