Собственная проводимость полупроводников

Атом кремния четырехвалентен. В кристалле кремния каждый атом ок­ружен четырьмя такими же атомами, с которыми его связывают четыре валентных электрона. Схематически на рисунке показано, что каждая пара электронов связана с двумя атома­ми, принадлежит двум атомам сразу. Как известно из курса химии, взаимо­действие между атомами посредст­вом электронных пар называется ковалентной связью.

П ри низких температурах практичес­ки все валентные электроны проч­но связаны с атомами и поэтому не могут быть электронами проводимос­ти (рис.а). Но при внешнем воздействии на кристалл — освещении его или на­гревании — некоторые электроны приобретают энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Та­кие электроны становятся свободны­ми — электронами проводимости. У того атома, от которого внеш­ним воздействием электрон был пере­веден в свободное состояние, появи­лось вакантное место с недостающим электроном (рис. б). Его называ­ют «дыркой». «Дырка» ведет себя как положительно заряженная частица. Рис. а Рис. б

Какой-либо из электронов соседних атомов может занять вакантное место, тогда «дырка» образуется в со­седнем атоме. Такой процесс проис­ходит многократно. Поэтому «дырка» блуждает по кристаллу.

Таким образом, электрический ток в полу­проводнике создается электронами проводимости и «дырками», т. е. по­лупроводники обладают одновремен­но и электронной, и дырочной прово­димостью. Проводимость, обусловленная движением свободных электронов и “дырок” в чистом полупроводнике (без примесей) называется собственной проводимостью полупроводников.

При повышении температуры по­лупроводника число электронов про­водимости, следовательно, и число «дырок» резко возрастает. Этим и объясняется уменьшение сопротив­ления полупроводника с повышением температуры. К полупроводникам относят крис­таллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не бо­лее 1,5—2 эВ.

Примесная проводимость

Донорные и акцепторные приме­си. Свойства полупроводников силь­но зависят от содержания примесей. Проводимость, обусловленная нали­чием примесей в полупроводни­ке, называется примесной проводи­мостью.

П усть, например, в кристалле кремния имеется примесь пятива­лентных атомов мышьяка, которые замещают в узлах кристаллической решетки атомы кремния. Пятива­лентный атом мышьяка вступает в ковалентные связи с четырьмя атома­ми кремния, а его пятый электрон оказывается незанятым в связях, т.е. становится свободным.

Положительный ион мышьяка не может захватить электрон у одно­го из соседних атомов кремния, так как энергия связи электронов с ато­мами кремния значительно превыша­ет энергию связи пятого валентного электрона с атомом мышьяка. Поэто­му эстафетного перемещения элект­ронной вакансии не происходит, ды­рочной проводимости нет. Примеси, поставляющие электроны проводи­мости без возникновения равного им количества «дырок», называются донорными (от лат. donare — давать, жертвовать). В полупроводниковом кристалле, содержащем донорные примеси, электроны являются основными, но не единственными носителями тока, так как небольшая часть собствен­ных атомов полупроводникового кристалла ионизована и в кристал­ле имеется небольшое количество «дырок». Полупроводниковые крис­таллы, в которых электроны служат основными носителями заряда, а «дырки» — неосновными, называют­ся электронными полупроводниками или полупроводниками п-типа (от лат. negatiuus—отрицательный).

При введении в кристалл кремния небольшой примеси трехвалентного элемента, например индия, часть ато­мов кремния замещается этими ато­мами. Атом индия за­хватывает электрон у одного из со­седних атомов кремния и становится неподвижным отрицательным ионом. Захват электрона от одного из ато­мов кремния приводит к возникно­вению «дырки». Примеси, захваты­вающие электроны и создающие тем самым подвижные «дырки», не увели­чивая при этом числа электронов проводимости, называют акцептор­ными (от лат. acceptor — прием­щик).

При низких температурах основ­ными носителями тока в полупровод­никовом кристалле с акцепторной примесью являются «дырки», а неос­новными — электроны.

Полупровод­ники, в которых концентрация «ды­рок» превышает концентрацию элект­ронов проводимости, называют полу­проводниками р-типа или дырочны­ми полупроводниками (от лат. positiuus — положительный).

Р-n – переход

Самым удиви­тельным свойством полупроводников оказалось свойство односторонней проводимости так называемого p-n – перехода — контакта двух полупро­водниковых кристаллов различного типа проводимости.

Для образования p-n –перехода нужно создать в кристалле с дыроч­ной проводимостью область с элект­ронной проводимостью (или, наобо­рот, в кристалле с электронной проводимостью область с дырочной про­водимостью).

Такую область создают путем вве­дения примеси в процессе выращива­ния кристалла или атомы примеси вводят в готовый кристалл. Через границу, разделяющую области крис­талла с различными типами прово­димости, происходит диффузия элект­ронов и «дырок».

Д иффузия электронов из n-области в р -полупроводник приводит к появлению в электронном полупровод­нике нескомпенсированных положи­тельных ионов донорной примеси. В дырочном полупроводнике рекомби­нация электронов с «дырками» приводит к появлению нескомпенсиро­ванных зарядов отрицательных ио­нов акцепторной примеси. Между двумя слоями объемного за­ряда возникает электрическое поле (см. рис.). По мере накопления объемного за­ряда напряженность поля возрастает, и оно оказывает все большее проти­водействие переходам электронов из n-области в р-полупроводник и со­ответственно «дырок» из р-области в n-полупроводник. Электронно-ды­рочный переход, или сокращенно p-n -переход, является границей, разде­ляющей области с дырочной (р) и электронной (n) проводимостями в од­ном и том же монокристалле.

Пограничная область раздела по­лупроводников с различным типом проводимости (она называется запи­рающим слоем) в связи с уходом сво­бодных электронов и «дырок» прак­тически превращается в диэлектрик. Между областями с различным типом проводимости объемные заря­ды ионов создают запирающее на­пряжение Uз; его значение для герма­ниевых p – n -перехода равно при­мерно 0,35 В, для кремниевых — около 0,6 В.

Если p – n -переход соединить с источником тока так, чтобы с его по­ложительным полюсом была соедине­на область с электронной проводи­мостью, то электроны в n-полупроводнике и «дырки» в p-полупроводнике удаляются внешним полем от за­пирающего слоя в разные стороны, увеличивая его толщину. Сопротив­ление p – n -перехода велико, сила тока мала и практически не зависит от напряжения. Этот способ включе­ния p – n -перехода называется включением в запирающем или в об­ратном направлении.

Если p – n -переход соединить с источником тока так, чтобы поло­жительный полюс был соединен с об­ластью с дырочной проводимостью, а отрицательный — с областью с электронной проводимостью, то пере­ходы основных носителей через p – n -переход облегчаются. Двигаясь на­встречу друг другу, основные носи­тели входят в запирающий слой, уменьшая его сопротивление. Сила тока через p – n -перехода в этом слу­чае при напряжениях, превышающих Uз, ограничивается лишь сопротивле­нием внешней электрической цепи. Этот способ включения называется включением в пропускном или в пря­мом направлении.