Примесные полупроводники

Кроме собственной проводимости, существует примеснаяпроводимость, получаемая при введении в кристаллическую решетку полупроводника других атомов. Введение посторонних атомов приводит к созданию дополнительных энергетических уровней, называемых донорными и акцепторными (Е_А и Е_а). Эти уровни располагаются в запрещенной энергетической зоне полупроводника.

При введении в кристаллическую решетку полупроводников (кремния или германия) пятивалентных атомов (мышьяка, сурьмы и др.) происходит замещение четырехвалентных атомов полупроводника пятивалентными атомами. На рисунке 11.2, а, бдано плоскостное изображение части кристаллической решетки полупроводника при введении пятивалентного атома, который замещает один из атомов полупроводника, образуя при этом связи и обмениваясь электронами с близлежащими четырьмя атомами кристалла.

Рисунок 11.2 – Плоскостное изображение кристаллической решетки полупроводника

В образовании связей принимают участие один из электронов внешней оболочки атома полупроводника и один из электронов внешней оболочки атома примеси. Таким образом, пятый валентный электрон атома примеси оказывается лишним. Под внешним воздействием этот электрон отрывается от атома, превращая его в положительный ион, и переходит в зону проводимости (рисунок 11.2 а). Примесные атомы, отдающие электроны, называются донорными примесями.

Донорные примесные уровни всегда располагаются в запрещенной зоне вблизи края зоны проводимости. Так как энергия ΔΕ_Д, необходимая для освобождения электрона атома донорной примеси, во много раз меньше ширины запрещенной зоны, т. е. меньше энергии возбуждения собственной проводимости ΔΕ₃, то в зону проводимости поступают в большем количестве электроны от донорных примесей и в меньшем – от собственных электронов полупроводника.

Таким образом, при введении в полупроводник донорных примесей в запрещенной зоне под действием внешних источников образуются положительные ионы примеси, а в зоне проводимости–свободные электроны. Поэтому проводимость в полупроводнике, осуществляемую главным образом электронами, называют электронной проводимостью.

Для получения акцепторных энергетических уровней в кристаллическую решетку полупроводника вводят акцепторные примеси. Атомы акцептора могут замещать в кристаллической решетке атомы полупроводника. При этом для образования связей с одним из атомов кристалла не хватает одного электрона, поэтому между двумя атомами образуется дырка.

Электрон, находящийся в валентной зоне кристалла, может перейти к атому примеси для образования исходной структуры связи. При этом атом акцептора превратится в отрицательный ион, а в валентной зоне возникнет незаполненная связь–дырка, которая будет заполняться электронами другого атома валентной области. В результате произойдет перемещение дырок от атома к атому внутри кристалла со скоростью, меньшей скорости движения электронов.

Акцепторные уровни энергии ΔΕ_а располагаются в нижней части запрещенной зоны вблизи валентной зоны. Поэтому для перехода электрона из валентной зоны на уровень акцептора требуется незначительная энергия.

Таким образом, электроны из валентной зоны переходят на акцепторные уровни, а в валентной зоне возникают дырки–носители положительного заряда. Проводимость, определяемая движением дырок, называется дырочной проводимостью.

В связи с наличием двух видов проводимостей существуют и два вида полупроводников: с дырочной проводимостью (p -типа) и с электронной проводимостью (n -типа). В каждом из полупроводников имеются в незначительном количестве носители тока (не основные) противоположного знака.

Если взять пластинку из монокристалла кремния, у которой левая часть содержит донорную, а правая – акцепторную примесь (рисунок 11.3, а), на их границах образуется (п–р) – переходный запорный слой (рисунок 11.3, б). Образование его обусловлено диффузией как дырок из р -области в n -область, гак и электронов из n -области в р -область.

Переходя в n -область, дырки накапливаются вблизи границы двух областей, происходит рост положительного потенциала. Накапливание электронов по другую сторону границы в р -области приводит к росту отрицательною потенциала. В некоторый момент времени диффузия носителей прекращается и на границе n - и р -областей возникает слой, образованный пространственным зарядом дырок в n -области и электронов в р -области. В р -область могут проникать дырки из n -области, где они являются неосновными носителями.

Рисунок 11.3 – Монокристалл кремния с донорной и акцепторной примесью

Итак, в р -области вблизи ее границы с n -областью скапливаются отрицательные заряды, вследствие чего происходит обеднение основными носителями–дырками, а в n -области (вблизи границы с р -областью) скапливаются положительные заряды, в результате чего происходит обеднение электронами n -области. Обедненная основными носителями область называется запорным слоем, или потенциальным барьером.

Если на (р–n)-переход подключить обратное внешнее электрическое напряжение, т. е. к р -области минус, а к n -области плюс (инверсионное включение) (рисунок 11.4), то сопротивление (р–n)-перехода еще больше возрастает, так как приложенное напряжение будет способствовать удалению зарядов друг от друга. При этом в кристалле устанавливается постоянное распределение поля, соответствующее уравнению непрерывности тока:

j=E_e´(nμ_n+pμ_p) (11.1)

где j – плотность обратного тока (постоянная); Е_е – напряженность электрического поля; р и n – локальные концентрации дырок и электронов соответственно; μ_n – и μ_p – подвижности. Поэтому падение приложенного напряжения происходит в основном на обедненном слое. В результате обедненную носителями область можно рассматривать как твердую ионизационную камеру.

Рисунок 11.4 – Схема включения

Основные характеристики полупроводникового детектора: ширина обедненной области (слоя) d, от которой зависят чувствительный объем и время собирания носителей; удельное сопротивление ρ полупроводника (р–n) – перехода; емкость обедненной области С; обратный ток, определяющий уровень шумов.

Глубина проникновения обедненного слоя в область р -типа определяется выражением:

, (11.2)

а в область n -типа выражением:

, (11.3)

где ε – диэлектрическая проницаемость.

Неравновесный заряд, образовавшийся в области n –типа, должен быть равен по величине и обратен по знаку заряду, возникшему в области р –типа, так как в данном приближении все поле сосредоточено в обедненном слое. Тогда

D_p N_A=D_n N_D, (11.4)

т. е. отношение глубин входа обратно пропорционально отношению концентраций ионизированных примесей в соответствующих областях. Концентрации ионизированных примесей различны и связаны с процессом изготовления детектора, причем обедненный слой почти полностью расположен в области с более высоким удельным сопротивлением. Если детектор изготовлен из кремния p -типа, глубину обедненного слоя можно оценить приближенно по формуле:

d_p = 3,2´10^-5´(ρU)^1/2 (11.5)

и для n -типа аналогично:

d_n = 5,3´10^-5´(ρU)^1/2 (11.6)

где ρ выражено в единицах Ом см, a U – в В.

Ионизирующая частица, поступающая в обедненную область счетчика, в результате неупругих столкновений с электронами отдает им свою энергию и образует пары электрон–дырка. В среднем на образование одной пары независимо от вида излучения и его энергии расходуется в кремнии w = (3,5±0,7) эВ, а в германии w= (2,94±0,15) эВ. Образовавшиеся электроны и дырки разделяются электрическим полем, и на суммарной емкости слоя С и емкости монтажа С_м собирается заряд q. При этом область заряжается до потенциала:

Ф = q/(C + C_м) (11.8)

Импульс напряжения, снимаемый с резистора R_n (рисунок 11.4), регистрируется электронной схемой. Если пробеги исследуемых заряженных частиц полностью укладываются внутри обедненного слоя, зависимость между энергией частицы и амплитудой импульса напряжения будет линейной, так как амплитуда импульса пропорциональна собранному на емкости заряду q:

q = N´e = E´e/w (11.9)

Тогда:

Ф = Е´e/[w´(C + C_м)], (11.10)

где N – число пар ионов, образующихся при ионизации; е – заряд электрона; Е – энергия частицы.

В зависимости от параметров и технологии изготовления полупроводниковые электронно-дырочные детекторы делятся на поверхностно-барьерные Аu–Si и диффузионные с (р–п)– и (п–р)– переходами соответственно и диффузионно – дрейфовые (р–i–n) – типа.

11.3 Поверхностно–барьерные детекторы

Поверхностно-барьерные детекторыизготовляют таким образом, чтобы вблизи поверхности кристалла из кремния или германия сформировался (п – р)– или (р–n)– переход. Это осуществляют двумя основными способами. Во–первых, используют поверхностную диффузию вещества одного типа внутрь кристалла из материала другого типа, например диффузию фосфора в кристаллы кремния р -типа. Во–вторых, можно использовать химические свойства поверхности кремния или германия. Поверхностный слой этих элементов легко окисляется и ведет себя как электронный акцептор (р -слой). Электрический контакт с поверхностным слоем осуществляют с помощью тонкого слоя металла, обычно золота, который наносят на поверхность кристалла испарением в вакууме. Такие золото–кремниевые и золото–германиевые счетчики широко применяют для регистрации и спектрометрии тяжелых заряженных частиц и нейтронов. Золото–кремниевые детекторы используют в условиях комнатной температуры.