Полупроводник n-типа

Полупроводник n-типа — это полупроводниковый материал, в котором основными носителями электрического заряда являются электроны. Название происходит от английского «negative» (отрицательный), что указывает на отрицательный заряд электронов. Полупроводники n-типа получают путём легирования (введения примесей) в чистый полупроводник, обычно кремний или германий, атомами элементов, имеющих большее количество валентных электронов, чем атомы основного материала. Такие примеси называются донорными, так как они «отдают» лишние электроны в кристаллическую решётку, создавая избыток свободных электронов.

Физические основы

Собственная проводимость и легирование

Чистый (собственный) полупроводник, например кремний, имеет четыре валентных электрона, которые образуют ковалентные связи с соседними атомами. При абсолютном нуле температуры все электроны находятся в связанном состоянии, и проводимость отсутствует. С повышением температуры часть электронов получает энергию, достаточную для разрыва связей, и становится свободными носителями заряда. Однако в собственном полупроводнике количество свободных электронов равно количеству дырок (вакантных мест в связях), что даёт низкую и нестабильную проводимость.

Для создания полупроводника n-типа в кристаллическую решётку вводят атомы примеси с пятью валентными электронами (пентавалентные элементы). Наиболее распространённые донорные примеси:

• Фосфор (P)
• Мышьяк (As)
• Сурьма (Sb)

При встраивании такого атома в решётку кремния четыре его электрона образуют ковалентные связи с соседними атомами кремния, а пятый электрон оказывается слабо связанным с ядром примеси. Энергия, необходимая для отрыва этого электрона, значительно меньше, чем для разрыва собственной связи кремния (порядка 0,04–0,05 эВ против 1,1 эВ). Поэтому уже при комнатной температуре практически все донорные атомы ионизируются, отдавая по одному свободному электрону в зону проводимости.

Механизм проводимости

В полупроводнике n-типа концентрация свободных электронов значительно превышает концентрацию дырок. Электроны становятся основными носителями заряда, а дырки — неосновными. Проводимость материала определяется в основном движением электронов. При приложении электрического поля электроны дрейфуют от отрицательного полюса к положительному, создавая электрический ток.

Уровень Ферми (энергия, при которой вероятность заполнения состояния равна 0,5) в полупроводнике n-типа смещается вверх, ближе к дну зоны проводимости, что отражает избыток электронов. Чем выше концентрация донорной примеси, тем ближе уровень Ферми к зоне проводимости.

Классификация по степени легирования

Полупроводники n-типа различаются по концентрации донорной примеси, что определяет их электрические свойства и области применения:

• Слаболегированные (n⁻) — концентрация примеси от 10¹³ до 10¹⁵ атомов на см³. Обладают высоким удельным сопротивлением, используются в высоковольтных приборах и чувствительных датчиках.
• Среднелегированные (n) — концентрация от 10¹⁵ до 10¹⁷ атомов на см³. Наиболее распространённый тип для большинства полупроводниковых приборов (диоды, транзисторы, интегральные схемы).
• Сильнолегированные (n⁺) — концентрация от 10¹⁸ до 10²¹ атомов на см³. Имеют очень низкое удельное сопротивление, близкое к металлическому. Используются для создания омических контактов и эмиттерных областей в биполярных транзисторах.

Методы получения

Диффузия

Один из классических методов — диффузия донорных примесей в подложку из собственного полупроводника при высокой температуре (900–1200 °C). Подложку помещают в печь с газовой атмосферой, содержащей пары фосфора или мышьяка. Атомы примеси проникают вглубь кристалла, создавая слой с заданной концентрацией. Глубина проникновения контролируется температурой и временем процесса.

Ионная имплантация

Более современный и точный метод — ионная имплантация. Ионы донорной примеси разгоняются в ускорителе до энергий 10–200 кэВ и внедряются в поверхность полупроводника. Этот метод позволяет создавать слои с очень точным профилем легирования и минимальным боковым рассеянием. После имплантации обычно требуется отжиг при 800–1000 °C для восстановления кристаллической структуры и активации примеси.

Эпитаксия

При эпитаксиальном выращивании слои полупроводника n-типа формируются непосредственно на подложке путём осаждения из газовой фазы (CVD) или молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE). В процессе роста в газовую смесь добавляют соединения донорных примесей, что позволяет создавать многослойные структуры с резкими границами раздела.

Применение

Диоды

Полупроводник n-типа является основой для создания p-n-перехода — ключевого элемента большинства полупроводниковых диодов. Область n-типа служит катодом, а область p-типа — анодом. В выпрямительных диодах, светодиодах и фотодиодах используются слои n-типа различной степени легирования.

Транзисторы

• Биполярные транзисторы (n-p-n и p-n-p) содержат области n-типа в качестве эмиттера и коллектора (для n-p-n-типа) или базы (для p-n-p-типа).
• Полевые транзисторы (MOSFET) используют канал n-типа для управления током. В n-канальных MOSFET область стока и истока легируются донорной примесью (n⁺), а подложка — акцепторной (p-тип).

Интегральные схемы

В КМОП-технологии (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) используются как n-канальные, так и p-канальные транзисторы. Слои n-типа формируются в карманах p-типа и наоборот. Современные микропроцессоры содержат миллиарды таких структур.

Солнечные элементы

Фотоэлектрические преобразователи на основе кремния обычно содержат слой n-типа на поверхности и слой p-типа в объёме. Верхний слой n-типа делают тонким и слаболегированным для максимального пропускания света.

Термоэлектрические устройства

Полупроводники n-типа используются в термоэлектрических генераторах и холодильниках. В паре с полупроводником p-типа они образуют термопару, преобразующую разность температур в электрический ток или наоборот.

Измерение и контроль параметров

Основные параметры полупроводника n-типа:

• Удельное сопротивление — измеряется четырёхзондовым методом.
• Концентрация носителей — определяется методом Холла или по вольт-фарадным характеристикам.
• Подвижность носителей — вычисляется из комбинации измерений проводимости и эффекта Холла.
• Глубина залегания p-n-перехода — измеряется методом шарового шлифа или по профилю легирования.

Особенности и ограничения

Полупроводники n-типа обладают рядом особенностей, которые учитываются при проектировании приборов:

• Температурная зависимость — с ростом температуры подвижность электронов уменьшается из-за рассеяния на фононах, но концентрация основных носителей остаётся практически постоянной до температур, при которых начинается собственная проводимость.
• Радиационная стойкость — облучение высокоэнергетическими частицами может создавать дефекты, которые действуют как акцепторные центры, компенсируя донорную примесь. Это приводит к увеличению сопротивления и может изменить тип проводимости.
• Омические контакты — для создания надёжных электрических контактов к сильнолегированным областям n-типа (n⁺) используются металлы с малой работой выхода (алюминий, титан) или силициды металлов.

Историческая справка

Понятие полупроводника n-типа возникло в 1930-х годах в ходе исследований свойств закиси меди и кремния. В 1947 году Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли в Bell Labs создали первый точечный транзистор, в котором использовались области n-типа в германии. Это открытие положило начало полупроводниковой электронике. В 1950-х годах были разработаны методы диффузии и эпитаксии, позволившие создавать слои n-типа с контролируемыми параметрами. Современные технологии позволяют легировать полупроводники с точностью до отдельных атомов.

Источники

• С. Зи. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984.
• Ю. Р. Носов. Полупроводниковые приборы. — М.: Энергия, 1975.
• В. И. Фистуль. Физика и технология полупроводников. — М.: Высшая школа, 1990.
• А. И. Курносов, В. В. Юдин. Технология полупроводниковых приборов и материалов. — М.: Энергоатомиздат, 1987.
• S. M. Sze, K. K. Ng. Physics of Semiconductor Devices. — 3rd ed. — Wiley, 2007.