Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

При рекомбинации выделяется энергия, которая была зат рачена на создание электронно дырочной пары. Иногда она выделяется в виде излучения, но чаще она передается кристал лической решетке, нагревая ее. Такая проводимость называется

собственной электропроводностью полупроводников.

Дырки рождаются и гибнут только парами вместе со свободными электронами, поэтому концентрации электронов

(n) и дырок (p) в собственном полупроводнике (без примесей) равны:

p = n

Второй способ получить в полупроводнике свободные но сители заряда – намеренное введение в кристалл различных примесей. Рассмотрим ситуацию, когда в четырехвалентный проводник, например, в кремний, попадает атом пятивалент ного вещества, например, мышьяк – As или фосфор – P.

Наличие пяти валентных электронов в атоме As говорит о его способности организовывать химические связи с пятью сосед ними атомами. Но в кристалли ческой решетке кремния имеется только четыре соседних атома, с которыми можно образовать свя зи. Поэтому только четыре из пя ти валентных электронов мышья ка оказываются включенными в

прочные химические связи. Оставшийся же пятый электрон оказывается не задействованным в связях, вследствие чего в кристалле создаются дополнительные носители заряда – элект роны.

Такие примеси называют донорными. Обратите внимание на то, что, в отличие от собственного полупроводника, рожде ние свободного электрона здесь не сопровождается одновре менным появлением дырки, поскольку межатомные связи при этом не разрушаются. В результате концентрация свободных электронов в кристалле с донорными примесями значительно больше концентрации дырок:

p < n

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Полупроводники с донорными примесями называют по* лупроводниками n*типа (от англ. “negative” – отрицательный, по знаку основных носителей заряда) или электронными полуп* роводниками, а электроны – основными носителями заряда.

Возможна и противополож ная ситуация, когда в четырехва лентный полупроводник вводит ся трехвалентная примесь, нап ример индий In или алюминий Al. Для образования связей с че тырьмя соседними атомами ему не хватает одного валентного электрона. В этом случае атом примеси может легко “отобрать” недостающий электрон у соседне

го атома кремния. В результате у атома кремния возникает не полная связь, способная перемещаться по кристаллу (дырка). Такие примеси называют акцепторами.

Рождение примесных дырок также не приводит к образова нию электронно дырочных пар, и концентрация дырок в по лупроводнике с акцепторными примесями выше, чем концент рация электронов:

p >n

Дырки в данном случае являются основными носителями за ряда, а сам полупроводник называют полупроводником p*типа (от англ. positive положительный) или дырочным полупроводником.

Электронно дырочный переход

Любой полупроводниковый прибор основан на одном или нескольких электронно дырочных переходах.

Электронно*дырочный переход (p n переход) это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

Поскольку в полупроводнике n типа концентрация элект ронов значительно превышает концентрацию дырок (n >> p), а в полупроводнике p типа – наоборот (p >> n), то при кон

174

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

такте двух полупроводников разных типов начинается процесс диффузии: дырки из p области стремительно диффундируют (переходят) в n область, а электроны, наоборот, из n области в p область.

В результате диффузии в n области на границе контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положи тельно заряженный слой. В p области, наоборот, уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, препятствующий дальнейшему процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу. Такой слой называется запирающим.

p n переход обладает од ной удивительной особен ностью: односторонней про* водимостью, то есть способ ностью пропускать электри ческий ток только в одну сторону.

Рассмотрим два возможных варианта подачи напряжения на p n переход:

1) положительный полюс источника соединен с p об ластью, а отрицательный – с n областью.

Тогда в силу притягивания раз ноименных зарядов друг к другу напряженность электрического по ля в запирающем слое будет умень шаться. Естественно, это облегчает

переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p области и электроны из n области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать p n переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через p n переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

2)положительный полюс источника соединен с n об ластью, а отрицательный – с p областью.

Такое включение приведет к возрастанию напряженности поля в запирающем слое. Дырки в p об ласти и электроны в n области не

175

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

будут двигаться навстречу друг другу, что приведет к увеличе нию концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Следовательно, ток через p n переход практически не идет.

Напряжение, поданное на p n переход при таком включе нии, называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупро водниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентра ции свободных электронов в p области и дырок в n области.

Диод

Способность p n перехода пропускать ток только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c одним типом проводимости вплав ляют капельки материала с другим типом проводимости.

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Типичная вольт амперная характеристика кремниевого диода приведена на рисунке.

Рис 96. Вольтамперная характеристика кремниевого диода (использованы различные шкалы для положительных и отрицательных напряжений).

Транзистор

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя p–n переходами называются транзисторами, на их работе основаны все логические микросхемы. Название происходит от сочета ния английских слов transfer – переносить и resistor – сопротив

176

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

ление. Для создания транзисторов обычно используют герма ний или кремний.

Обычный плоскостной (планарный) транзистор представля ет собой тонкую полупроводниковую пластинку с электрон ным или дырочным типом проводимости, на которую нанесе ны участки другого полупроводника с противоположным ти пом проводимости. Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). В условных обоз начениях транзистора стрелка эмиттера показывает направле ние тока через него.

Транзисторы бывают двух ти пов: p–n–p и n–p–n. Например, гер маниевый транзистор p–n–p типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной

проводимостью. В ней создаются две области с акцепторной примесью, т. е. с дырочной проводимостью.

В транзисторе n–p–n типа ос новная германиевая пластинка об ладает проводимостью p типа, а две области – проводимостью n типа.

Если в цепь эмиттера включен

источник переменного напряжения, два p n перехода взаимо действуют и в цепи коллектора тоже возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превы шать амплитуду входного сигнала.

Вдумайтесь в это. В радиоприемнике ничтожный сигнал, пойманный антенной, управляет мощными колебаниями дина мика. Слабые сигналы микросхем управляет моторами и иску сственными мышцами роботов. Туннельный ток СТМ мощ ностью в доли наноампера управляет макроскопическим зон дом. Как? Через транзисторы!

В транзисторе маленький ток управляет большим. Это суть электроники.

Но управление не обязательно подразумевает усиление. Можно управлять сигналами, несущими информацию – логи ческие нули и единицы. А это значит, что можно целенаправ