ТОКИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

ТОКИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

В полупроводниках свободные электроны и дырки на­ходятся в состоянии хаотического движения. Поэтому, если выбрать произвольное сечение внутри объема полупровод­ника и подсчитать число носителей заряда, проходящих через это сечение за единицу времени слева направо и справа налево, значения этих чисел окажутся одинаковы­ми. Это означает, что электрический ток в данном объеме полупроводника отсутствует.

При помещении полупроводника в электрическое поле напряженностью Е на хаотическое движение носителей зарядов накладывается составляющая направленного дви­жения. Направленное движение носителей зарядов в элек­трическом поле обусловливает появление тока, называе­мого дрейфовым (Рисунок 1.6, а ) Из-за столкновения носителей зарядов с атомами кристал- лической решетки их движение в направ­лении действия электрического поля

прерывисто и харак­теризуется подвижностью m. Подвижность равна сред­ней скорости , приобретаемой носителями заряда в направлении действия электрического поля напряженностью Е = 1 В/м, т. е.

Подвижность носителей зарядов зависит от механизма их рассеивания в кристаллической решетке. Исследова­ния показывают, что подвижности электронов m_n и дырок m_p имеют различное значение (m_n > m_p) и определяются температурой и концентрацией примесей. Увеличение тем­пературы приводит к уменьшению подвижности, что зави­сит от числа столкновений носителей зарядов в единицу времени.

Плотность тока в полупроводнике, обусловленного дрей­фом свободных электронов под действием внешнего элек­трического поля со средней скоростью , определяется выражением .

Перемещение (дрейф) дырок в валентной зоне со сред­ней скоростью создает в полупроводнике дырочный ток, плотность которого . Следовательно, полная плот­ность тока в полупроводнике содержит электронную j_n и дырочную j_р составляющие и равна их сумме (n и p — концентрации соответственно электронов и дырок).

Подставляя в выражение для плотности тока соотноше­ние для средней скорости электронов и дырок (1.11), по­лучаем

Если сравнить выражение (1.12) с законом Ома j =sЕ, то удельная электропроводность полупроводника опреде­ляется соотношением

У полупроводника с собственной электропроводностью кон­центрация электронов равна концентрации дырок (n_i = p_i), и его удельная электропроводность определяется выра­жением

В полупроводнике n-типа > , и его удельная электропроводность с достаточной степенью точности мо­жет быть определена выражением

В полупроводнике р-типа > , и удельная элек­тропроводность такого полупроводника

В области высоких температур концентрация электро­нов и дырок значительно возрастает за счет разрыва ковалентных связей и, несмотря на уменьшение их подвижно­сти, электропроводность полупроводника увеличивается по экспоненциальному закону.

Диффузионный ток

Кроме теплового возбуждения, приводящего к возник­новению равновесной концентрации зарядов, равномерно распределенных по объему полупроводника, обогащение полупроводника электронами до концентрации n_p и дыр­ками до концентрации p_n может осуществляться его осве­щением, облучением потоком заряжённых частиц, введе­нием их через контакт (инжекцией) и т. д. В этом случае энергия возбудителя передается непосредственно носите­лям заряда и тепловая энергия кристаллической решетки остается практически постоянной. Следовательно, избы­точные носители заряда не находятся в тепловом равнове­сии с решеткой и поэтому называются неравновесными. В отличие от равновесных они могут неравномерно распре­деляться по объему полупроводника (рисунок 1.6, б)

После прекращения действия возбудителя за счет реком­бинации электронов и дырок концентрация избыточных но­сителей быстро убывает и достигает равновесного значения.

Скорость рекомбинации неравновесных носителей про­порциональна избыточной концентрации дырок (p_n — ) или электронов (n_p — ):

где t_p — время жизни дырок; t_n — время жизни электронов. За время жизни концентрация неравновесных носите­лей уменьшается в 2,7 раза. Время жизни избыточных носителей составляет 0,01. 0,001 с.

Носители зарядов рекомбинируют в объеме полупро­водника и на его поверхности. Неравномерное распределение неравновесных носите­лей зарядов сопровождается их диффузией в сторону мень­шей концентрации. Это движение носителей зарядов обу­словливает прохождение электрического тока, называемо­го диффузионным (рисунок 1.6, б).

Рассмотрим одномерный случай. Пусть в полупровод­нике концентрации электронов n(x) и дырок p(x) являют­ся функциями координаты. Это приведет к диффузионно­му движению дырок и электронов из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией.

Диффузионное движение носителей зарядов обуслов­ливает прохождение диффузионного тока электронов и дырок, плотности которых определяют­ся из соотношений:

где dn(x)/dx, dp(x)/dx — градиенты концентраций электронов и дырок; D_n, D_p — коэффициенты диффузии электро­нов и дырок.

Градиент концентрации характери­зует степень неравномерности распределения зарядов (электронов и дырок) в полупроводнике вдоль какого-то выбранного направления (в данном случае вдоль оси x). Коэффициенты диффузии показывают количество носителей заряда, пересекающих в единицу времени еди­ничную площадку, перпендикулярную к выбранному направ­лению, при градиенте концентрации в этом направлении, рав­ном единице. Коэффициенты

диффузии связаны с подвижностями носителей зарядов соотношениями Эйнштейна:

Знак "минус" в выражении (1.14) означает противопо­ложную направленность электрических токов в полупро­воднике при диффузионном движении электронов и дырок в сторону уменьшения их концентраций.

Если в полупроводнике существует и электрическое поле, и градиент концентрации носителей, проходящий ток будет иметь дрейфовую и диффузионную составляющие. В таком случае плотности токов рассчитываются по следую­щим уравнениям:

1. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

К полупроводникам относятся вещества, занимающие по величине удельной электрической проводимости промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Их удельная электрическая проводимость лежит в пределах от 10 -8 до 10 5 см/м и в отличие от металлов она возрастает с ростом температуры.

Полупроводники представляют собой достаточно многочисленную группу веществ. К ним относятся химические элементы: германий, кремний, бор, углерод, фосфор, сера, мышьяк, селен, серое олово, теллур, йод, некоторые химические соединения и многие органические вещества.

В электронике находят применение ограниченное количество полупроводниковых материалов. Это прежде всего кремний, германий, и арсенид галлия. Ряд веществ, таких как бор, мышьяк, фосфор используются как примеси.

Применяемые в электронике полупроводники имеют весьма совершенную кристаллическую структуру. Их атомы размещены в пространстве в строго периодической последовательности на постоянных расстояниях друг от друга, образуя кристаллическую решетку. Решетка наиболее распространенных в электронике полупроводников — германия и кремния — имеет структуру алмазного типа. В такой решетке каждый атом вещества окружен четырьмя такими же атомами, находящимися в вершинах правильного тетраэда.

Каждый атом, находящийся в кристаллической решетке, электрически нейтрален. Силы, удерживающие атомы в узлах решетки, имеют квантовомеханический характер; они возникают за счет обмена взаимодействующих атомов валентными электронами. Подобная связь атомов носит название ковалентной связи, для ее создания необходима пара электронов.

В германии и кремнии, являющихся четырехвалентными элементами, на наружной оболочке имеется по четыре ковалентные связи с четырьмя ближайшими, окружающими его атомами.

1.2 Носители заряда в полупроводнике.

В рассмотренной идеальной решетке все электроны связаны со своими атомами, поэтому такая структура не должна проводить электрический ток. Однако в полупроводниках (что коренным образом отличает их от диэлектриков) сравнительно небольшие энергетические воздействия, обусловленные нагревом или облучением, могут привести к разрыву некоторых валентных связей в решетке. При этом валентный электрон, оторвавшийся от своего атома, переходит в новое устойчивое состояние, в котором он обладает способностью перемещаться по кристаллической решетке. Такие сорванные с валентных связей подвижные электроны называются электронами проводимости. Они обусловливают электропроводность полупроводника, называемую электронной электропроводностью (рис.1.1).

Минимальная величина энергии DW, которую необходимо сообщить валентному электрону для того, чтобы оторвать его от атома и сделать подвижным, зависит от структуры решетки и, следовательно, является параметром полупроводника.

Энергия электронов, перемещающихся по кристаллу, лежит в некотором диапазоне значений, иначе говоря, электроны занимают целую зону энергетических уровней, называемую зоной проводимости. Энергетические состояния валентных электронов также образуют зону, называемую валентной. Между максимальным уровнем валентной зоны и минимальным уровнем зоны проводимости лежит область энергетическим состояний, в которых электроны не могут находиться; это так называемая запрещенная зона. Ширина запрещенной зоны W определяет энергию, необходимую для освобождения валентного электрона, т.е. энергию ионизации атома полупроводника. Таким образом, с энергетической точки зрения отрыв валентного электрона от атома и превращения его в электрон проводимости соответствуют перебросу электронов из валентной зоны в зону проводимости.

При разрыве валентной связи и уходе электрона из атома в решетку образуется незаполненная связь, которой присущ нескомпенсированный положительный заряд, равный по величине заряду электрона +e. Так как на незаполненную связь легко переходит валентные электроны с соседних связей, чему способствует тепловое движение в кристалле, то место, где отсутствует валентный электрон, (называемое, дыркой), хаотически перемещается по решетке. При наличии внешнего поля дырка также будет двигаться в направлении действия поля, что соответствует переносу положительного заряда, то есть электрическому току.

Этот вид электропроводности полупроводника называют дырочной электропроводностью в отличии от ранее рассмотренной электронной, обусловленной свободными электронами.

Полупроводник, имеющий в узлах решетки только собственные атомы, принято называть собственным проводником; все величины, относящиеся к нему, обозначаются индексом i (от английского слова intrinsic- присущий).

В электронике часто применяются полупроводники, у которых часть атомов основного вещества в узлах кристаллической решетки замещена атомами примеси, то есть атомами другого вещества. Такие полупроводники называются примесными. Для германия и кремния чаще всего используют пятивалентные и трехвалентные примеси. К пятивалентным примесям относятся фосфор, сурьма, мышьяк и др.; к трехвалентным — бор, алюминий, индий, галлий.

При наличии пятивалентной примеси четыре валентных электрона примесного атома совместно с четырьмя электронами соседних атомов образуют ковалентные связи, а пятый валентный электрон оказывается "лишним". Энергия связи его со своим атомом W_п намного меньше, чем энергия W, необходимая для освобождения валентного электрона.

Благодаря небольшой энергии ионизации W_n, пятый электрон даже при комнатной температуре может быть оторван от своего атома за счет энергии теплового движения. При этом образуется свободный электрон, способный перемещаться по кристаллической решетке, и неподвижный положительный заряд -атом примеси, потерявший этот электрон. Примеси такого вида, отдающие электроны, называются донорными, а кристаллы с подобной примесью — полупроводниками п-типа..

При введении трехвалентной примеси примесный атом отдает три своих валентных электрона для образования ковалентных связей с тремя близлежащими атомами. Связь с четвертым атомом оказывается незаполненной, однако на нее сравнительно легко могут переходить валентные электроны с соседних связей.

При перебросе валентного электрона на незаполненную связь примесный атом с присоединенным лишним электронов образует в решетке неподвижный отрицательный заряд; кроме того, в решетке образуется дырка, способная перемещаться по решетке и обусловливающая дырочную проводимость полупроводника. Примеси такого вида, захватывающие электроны, называются акцепторными, а кристалл с акцепторной примесью — полупроводник р-типа.

1.3. Электронно-дырочный переход

При легировании одной области полупроводника акцепторной примесью, а другой области — донорной, возникает тонкий переходный слой, обладающий особыми свойствами. В этом слое, в результате диффузии носители заряда перемещаются оттуда, где их концентрация больше, туда, где их концентрация меньше. Таким образом, из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа диффундируют дырки, а из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа диффундируют электроны. При этом, они объединяются с имеющимися в соседних областях основными носителями противоположного знака — рекомбинируют. В этом случае, у границы переходного слоя возникает область обедненная подвижными основными носителями заряда и обладающая высоким сопротивлением — p-n переход. Неподвижные ионы, остающиеся по обе стороны граничного слоя создают одинаковые по значению, но разные по знаку пространственные объемные заряды: в p-слое — отрицательный, а в n-слое — положительный. Этот двойной электрический слой создает электрическое поле, которое препятствует дальнейшему проникновению носителей заряда и возникает состояние равновесия (рис. 1.2). При подключении источника тока так, что к области p-проводимости присоединен отрицательный полюс источника, а к области n-проводимости — положительный полюс возникает поле, под влиянием которого электроны и дырки будут в большом количестве соответственно отталкиваться в глубь полупроводников (рис. 1.3).

P-n переход увеличится, его сопротивление возрастет и в цепи полупроводникового диода электрического тока практически не будет. Однако незначительному количеству неосновных носителей зарядов (положительных) из n-области и (отрицательных) из p-области, имеющих большие скорости, удастся проскочить p-n-переход, и в цепи будет протекать весьма небольшой ток, называемый обратным током.

Двойной электрический слой аналогичен конденсатору, в котором роль диэлектрика играет запирающий слой, имеющий значительное сопротивление. Емкость p-n-перехода, возникающая в этом случае носит название барьерной. Эта емкость оказывается нелинейно зависящей от обратного запирающего напряжения. С ростом обратного напряжения толщина запирающего слоя увеличивается, а емкость — уменьшается (рис.1.4).

При изменении полярности источника, подключенного к диоду, электроны n-области и дырки p-области будут взаимно притягиваться и перемещаться к границе этих полупроводников. P-n переход сужается, его сопротивление резко уменьшается, и создаются условия для перехода большого количества электронов из n-области в p-область, а следовательно, для перехода дырок в противоположном направлении. При таком включении полупроводникового диода в цепи появится значительный электрический ток, носящий название прямого тока.

Сила прямого тока в полупроводниках нелинейно зависит от величины приложенного к ним напряжения.

Из описания процесса, происходящего на границе двух полупроводников с различной по знаку проводимостью, следует, что они обладают, как и электронная лампа- диод, односторонней проводимостью. Это значит, что при направлении электрического поля, создаваемого приложенным к полупроводникам прямым напряжением , диод пропускает ток и сопротивление его мало, а при обратном направлении этого поля , создаваемого приложенным к полупроводникам обратным напряжением, сопротивление диода велико, а ток в его цепи весьма мал.

На риc .1.5 показана типичная нелинейная характеристика диода. Вольтамперная характеристика диода описывается соотношением , где I — обратный ток p-n перехода, U приложенное напряжение, j — температурный потенциал, при 300К j =26мВ . Для большей наглядности кривая прямого тока (правая часть графика) и кривая обратного тока (левая часть графика) построены в различных масштабах. Похожими свойствами обладает и контакт полупроводника с металлом, использующийся в диодах Шотки.

Сайт ориентирован на работу в INTERNET EXPLORER 4.0 и выше.
Разрешение 800х600 и больше. Используйте кнопку F11

Электрический ток в полупроводниках

1. Зависимость сопротивления полупроводников от температуры

На прошлом уроке мы разбирали особенности прохождения тока через металлические проводники. Теперь же рассмотрим такие материалы как полупроводники.

Определение.Полупроводники – вещества, занимающие промежуточную позицию между проводниками и диэлектриками.

Одним из определяющих отличий полупроводников от проводников является зависимость их сопротивления от температуры. Как мы помним из предыдущего урока, при повышении температуры сопротивление металлов возрастает. Сопротивление полупроводников же напротив уменьшается при повышении температуры.

Рис. 1. Зависимость от температуры сопротивлений проводников и полупроводников

Как видно из графиков при низких температурах сопротивление полупроводников стремиться к бесконечности и они ведут сея как диэлектрики

2. Тип проводимости полупроводников

Полупроводники в химической таблице Менделеева занимают средние положения (см. рис. 2). Мы же рассмотрим строение полупроводников на примере кремния.

Рис. 2. Положение основных полупроводников в таблице Менделеева

3. Вставка 1. Примесная проводимость

Добавление к полупроводниковым кристаллам различных примесей может значительно повысить проводимость этих полупроводников. Существует два типа таких примесей: донорная и акцепторная. Разберем их подробнее

Если в кристаллическую структуру кремния добавить некоторое количество атомов пятивалентного мышьяка, то связанными окажутся только четыре из его пяти валентных электронов, пятый остается свободным. Таким образом, к собственной проводимости кремния добавляется фактор наличия избыточного количества свободных электронов (примесная проводимость). Такой полупроводник называется полупроводником n-типа (от английского «negative»)

Рис. 3. Схема донорной примеси; проводимость n-типа

Если же к кристаллу кремния добавить примесь трехвалентного индия, то будет отсутствие одной связи, на месте которой образуется дырка. Таким образом, к собственной проводимости добавить фактор наличия избыточного количества дырок. Такой полупроводник называется полупроводником p-типа (от английского «positive»)

Рис. 4. Схема акцепторной примеси; проводимость p-типа

В полупроводниковых приборах тем не менее зачастую используют не сами полупроводники того или иного типа, а приведенные в контакт кристаллы полупроводников n- и p-типа.

Кремний занимает место в таблице Менделеева в четвертой группе, и это значит, что атом кремния имеет четыре валентных электрона. Теперь если схематически изобразить эту структуру, то можно представить отдельно взятый атом кремния и структуру вещества соответственно следующим образом:

Рис. 5. Атом кремния и атомная структура кремния соответственно

То есть вблизи каждого ядра кремния находиться по 8 валентных электронов: 4 собственных и 4 от соседних в решетке атомов. И при достаточно низких температурах подобное строение не содержит свободных зарядов, способных направленно перемещаться, инициируя электрический ток.

При нагревании же некоторые электроны вследствие получения дополнительной кинетической энергии будут покидать свои позиции и переходить в межатомное пространство. Таким образом, превращаются в электроны проводимости. И теперь, перемещаясь упорядочено под действием электрического поля, они могут создавать электрический ток. Однако не только одни электроны являются свободными зарядами. В тех местах, которые покинули электроны, образуются области избыточного положительного заряда. И эти условные положительно заряженные частицы были названы «дырками». Таким образом, носителями свободных зарядов в полупроводниках являются электроны проводимости и дырки.

4. Вставка 2. p-n переход

Особое значение в технике имеет приведение в контакт полупроводники различных проводимостей. Что же произойдет при таком контакте? Вследствие диффузии зарядов начнется проникновение электронов в p-полупроводник, а дырок в n-полупроводник. В результате чего на границе образуется так называемый запирающий слой, который своим электрическим полем препятствует дальнейшему обмену зарядами.

Рис. 6. Запирающий слой при p-n переходе

Для построения вольтамперной характеристики n-p перехода была собрана следующая схема (см. рис. 7) благодаря которой можно как менять полярность, так и величину напряжения, подаваемого на p-n переход.

Рис. 7. Схема для получения характеристики и сама вольтамперная характеристика p-n перехода соответственно

При подключении разности потенциалов в обратном направлении, то есть + к n-полупроводнику, к p-полупроводнику, проходить через барьер смогут только неосновные носители заряда (дырки в n области и электроны в p области). Основные же не смогут преодолеть запирающее поле, которое теперь будет еще усиливаться внешним полем.

Рис. 8. p-n переход при обратном подключении (Источник)

Если же совершить прямое подключение, то внешнее поле нейтрализует запирающее, и ток будет совершаться основными носителями заряда.

Рис. 9. p-n переход при прямом подключении (Источник)

При этом ток неосновных носителей ничтожно мал, его практически нет. Поэтому p-n переход обеспечивает одностороннюю проводимость электрического тока.

Рис. 10. Атомная структура кремния при увеличении температуры

Проводимость полупроводников является электронно-дырочной, и такая проводимость называется собственной проводимостью. И в отличии от проводниковых металлов при увеличении температуры как раз увеличивается количество свободных зарядов (в первом случае оно не меняется), поэтому проводимость полупроводников растет с ростом температуры, а сопротивление уменьшается

Очень важным вопросом в изучении полупроводников является наличие примесей в них. И в случае наличия примесей следует говорить уже о примесной проводимости.

5. Вставка 3. Полупроводниковые приборы

Малые размеры и очень большое качество пропускаемых сигналов сделали полупроводниковые приборы очень распространенными в современной электронной технике. В состав таких приборов может входить не только вышеупомянутый кремний с примесями, но и, например германий.

Одним из таких приборов является диод – прибор, способный пропускать ток в одном направлении и препятствовать его прохождению в другом. Он получается вживлением в полупроводниковый кристалл p- или n-типа полупроводника другого типа.

Рис. 11. Обозначение диода на схеме и схема его устройства соответственно

Другим прибором, теперь уже с двумя p-n переходами называется транзистор. Он служит не только для выбора направления пропускания тока, но и для его преобразования.

Рис. 12. Схема строения транзистора и его обозначение на электрической схеме соответственно (Источник)

Следует отметить, что в современных микросхемах используются множество комбинаций диодов, транзисторов и других электрических приборов.

На следующем уроке мы рассмотрим распространение электрического тока в вакууме.

Полупроводник проводимость и свойства

Можно считать что полупроводник открыли в 1833 году, когда исследуя температурную зависимость удельной электропроводности — плохого проводника сульфида серебра, Фарадей заметил, что в отличие от хороших металлических проводников, у сульфида серебра при нагревании проводимость не снижалась, а, даже наоборот, увеличивалась. Чуть позже эта особенность была выявлена и у других полупроводников.

Еще два открытия касавшихся проводимости полупроводников были сделаныв 1873 и 1874 годах. В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил увеличение проводимости селена при его освещении внешним источником света, т.е. открыл внутренний фотоэффект, а в 1874 году другой исследователь Ф. Браун, работая с такими материалами, как сернистый свинец (PbS) и пирит (FeS), заметил выпрямление переменного тока при контакте этих веществ с металлом. В начале прошлого века появилось довольно много работ, посвящённых изучению свойств полупроводников. В основном это были сульфиды и оксиды металлов, а также кремний. Именно в это время и сформировался термин полупроводники.

Материал полупроводник, по своей удельной проводимости занимает промежуток между проводниками и диэлектриками и отличается от первых сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения.

Полупроводники это достаточно большая группа веществ, применяемых в радиоэлектроники: германий, кремний, селен, но для изготовления диодов и транзисторов применяют в основном кремний и германий.

По своим электротехническим свойствам они занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Полупроводник и его основные свойства

У полупроводников, ширина запрещённой зоны составляет около нескольких электрон-вольт (эВ). Например,такой материал как алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся также многие химические элементы ( кремний, германий, селен, мышьяк теллур, и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (например арсенид галлия). Почти все неорганические вещества окружающие нас это полупроводники. Самым распространенным полупроводником на нашей планете является кремний, составляющий около 30 % земной коры. В зависимости от того, захватывает ли примесной атом свободный электрон или наоборот отдает его, такие атомы называют акцепторными или донорными.

В первую очередь, надо отметить, что электропроводность при протекании тока полупроводников зависит от температуры. Например, при очень низкой температуре, -273°С, они не проводят его совсем, а с ростом температуры, их сопротивление электрическому току уменьшается.

Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Если на полупроводник навести источник света, то ток в полупроводниках начинает увеличиваться. Используя это свойство увидели этот мир множество фотоэлектрических приборов. Кроме того они способны преобразовывать световой поток воздействующий на полупроводник в электрический ток, например, принцип работы солнечных батарей строится как раз на этом эффекте , а это уже сегодня позволило снизить сжигание нефти и газа, а через некоторое время бензиновые двигатели авто уже будут историей. А при введении в полупроводник примесей различных веществ, их электропроводность резко возрастает.

Характер примеси в полупроводнике может существенно изменяться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается. Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Около температуры абсолютного нуля полупроводники обладают характеристиками диэлектриков. Для понимания механизма возникновения проводимости в полупроводниках, нужно знать внутреннее строение полупроводниковых кристаллов и связей, удерживающих атомы возле друг друга. Напомним, что фактически у каждого электрона имеется своя собственная орбита и правильнее говорить в этом вопросе, не об одной внешней орбите, а о целом внешнем электронном слое, в котором бывает до восьми орбит.

Как я уже сказал выше германий и кремний это основные материалы используемые в полупроводниках, так как они имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия имеет в своем составе 32 электрона, а кремния 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 кремния, находятся во внутренних слоях своих оболочек и прочно там удерживаются. А эти четыре валентных электрона могут стать свободными, да и то лишь временно. А если атом потеряет хотя бы один из них, то он сразу же превращается в положительный ион.

Внутри пластинки атомы располагаются в строгом порядке: каждый из них окружен 4 подобными атомами. Причем они размещены так близко друг к другу, что их валентные электроны имеют единые орбиты, движущиеся вокруг соседних атомов, тем самым переплетая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в полупроводнике в виде простой плоской схемы. На схеме шарики с плюсом, условно, показывают ядра атомов — положительные ионы, а маленькие шарики это валентные электроны.

На картинки четко видно, что вокруг каждого атома имеются четыре других атома, а каждый из них имеет связь еще с четырьмя атомами и так далее. Любой из атомов скреплен с соседом двумя валентными электронами, причем один электрон свой собственный, а другой одолжен у соседнего атома. Такая связь из курса химии называется двухэлектронной или ковалентной.

Внешний слой оболочки каждого атома имеет восемь электронов: четыре собственных, и по одному, одолженному у четырех соседей. Здесь уже не возможно понять, какой из этих электронов в атоме свой, а какой чужой. При такой связи во всем объеме кристалла германия или кремния можно условно считать, что кристалл представляет из себя одну огромную молекулу.

Возьмем рисунок кристалла, где атомы обозначаются шариком с плюсом, а межатомные связи изображены двумя линиями.

При температуре абсолютного нулю наш кристалл не будет пропускать ток, так как в нем отсутствуют свободные электроны. Но с ростом температуры связь валентных электронов с ядрами становится слабее и отдельные электроны, вследствие постоянного движения, могут уходить от своих атомов. Становясь свободным, а там где электрон находился, появляется пустое место, которое придумали назвать дыркой.

С ростом температуры, растет количество свободных электронов и дырок. Давайте перейдем к следующей схеме, где схематично изображено явление появления электрического тока в кристалле полупроводника.

Если приложить напряжение к контактам кристалла «+» и «-», то в полупроводнике потечет электрический ток. Вследствие тепловых явлений, из межатомных связей получают свободу электроны, которые, притягиваясь плюсом источника питания, будут двигаться к нему, оставляя дырки, которые заполняются другими свободными электронами. То есть, под действием электрического поля носители заряда получают скорость направленного движения и тем самым генерируют ток.

Пока действует электрическое поле, процесс постоянен: нарушаются межатомные связи, появляются свободные электроны – генерируются дырки. Дырки принимают в себя электроны – восстанавливая одни межатомные связи, но нарушая другие, из которых убегают электроны заполняя следующие дырки

Отсюда, условно можно сказать, что электроны идут от минуса источника питания к плюсу, а дырки двигаются от плюса к минусу.

Рассмотрим вопрос, что такое проводимость полупроводника?

Чуть выше по полочкам мы разобрали механизм проводимости идеальных полупроводников. Проводимость при этих идеальных факторах называют собственной проводимостью полупроводников. Она в некоторых моментах сходна с проводимостью расплавов электролитов или водных растворов. В них также число свободных носителей заряда заметно растет с увеличением интенсивности теплового движения. Поэтому и у полупроводников, и у расплавов электролитов или водных растворов, хорошо заметно увеличение проводимости с увеличением температуры. Особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью появляется дополнительная, так называемая — примесная проводимость. Меняя концентрацию такой примеси, можно существенно регулировать число свободных носителей заряда любого знака. Благодаря этому можно получить полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителями.

Итак, в чистом кристалле полупроводника число свободных в определенный момент электронов равно числу дырок, поэтому электропроводность такого кристалла мала, так как он оказывает току достаточно большое сопротивление, и ее называют собственной. Но если в кристалл ввести немного примеси, точнее минимальное количество атомов других элементов, то электропроводность его увеличится в разы, и в зависимости от структуры добавленных атомов примесей элементов электропроводность будет называться электронной или дырочной.

Полупроводник с электронной проводимостью

Предположим, в кристалле атомы имеют 4-ре валентных электрона, мы поменяем один атом другим, у которого пять валентных частиц. Этот атом с четырьмя эл. соединится с 4 соседними атомами, а пятый останется «не удел» – то есть окажется полностью свободным. И чем выше их количество в кристалле, тем большее число свободных электронов, а значит, такой кристалл по своим свойствам, станет похож на металлический проводник, и чтобы через него потек ток, в нем не нужно рвать межатомные связи.

Кристаллы, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или n-типа. Здесь латинская буква n получила название от слова «negative» . Отсюда понятно, что в полупроводнике n-типа основные носители заряда – электроны, а не основные – дырки.

Полупроводник с дырочной проводимостью

В другом случае в том же кристалле, поменяем атом на другой с тремя свободными электрона, которыми он свяжется только с тремя соседними атомами, а для сцепки с четвертым атомом у него появится дефицит одного электрона. В итоге получается "бублик" или дырка. Понятно, что она примет в себя любой другой свободный электрон, схваченный рядом, И чем больше будет добавлено в кристалл таких атомов, тем выше будет число дырок.

Чтобы в таком случае могли высвобождаться и перемещаться свободные электроны, обязательно надо прорывать валентные связи между атомами. Но электронов все равно не хватит, так как количество дырок всегда будет превышать количество электронов в любой момент.

Такие кристаллы называют полупроводниками с дырочной проводимостью или p-типа, что с латинского значит «positive». То есть, электрический тока в кристалле p-типа обусловлен непрерывным появлением и исчезновением положительных зарядов или дырок. А это говорит о том, что в кристалле p-типа основными носителями заряда будут дырки, а не основными – электроны.

Давайтк рассмотрим полупроводник, правая часть которого содержит донорные примеси и поэтому является кристаллом n-типа, а левая акцепторные и представляет собой типовой полупроводник р-типа. Место соединения двух полупроводников называют р-n переходом. Подключим такой полупроводник к источнику питания и посмотрим его работу при разных подключениях. Сначала соединим так, чтобы потенциал полупроводника р-типа был соединен с плюсом, а n типа с минусом. При этом ток через полупроводник, а точнее его р-n переход будет генерироваться основными носителями: из области n в область р электронами, а из области р в n дырками.

Проводимость в целом будет достаточно большой, а сопротивление — малым. Показанный на рисунке переход называют прямым. Если переключить полюса источника питания, то проводимость образца оказывается малой, а сопротивление большим. Так как образуется запирающий слой. Подробней работа устройства с одним p-n переходом описана в разделе работа диода, нашего сайта.

Полупроводники. Часть первая: Электрические свойства полупроводников.

Эта статья в основном предназначена для тех, кто только-только начал первые шаги в области радиотехники, но может быть полезна и опытным радиолюбителям или студентам.

В первой части статьи разъясняются процессы, происходящие в полупроводниках на атомном уровне, расписываются такие понятия, как валентная зона, зона проводимости, собственная электропроводность и другие.
Остальные пять частей будут постепенно выкладываться в раздел «Начинающим».

Содержание / Contents

↑ Структура и энергетические диаграммы чистого полупроводника

К полупроводниковым относят вещества, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Характерной чертой полупроводников, отличающей их от других веществ, является сильная зависимость их сопротивления от температуры и концентрации примесей.

В производстве полупроводниковых приборов наибольшее распространение получили такие материалы, как германий и кремний. Они имеют кристаллическую структуру и расположены в IV группе таблицы Менделеева.

Все вещества состоят из атомов. Атом включает положительно заряженное ядро и электроны, вращающиеся вокруг него по орбитам с определенным радиусом.

Энергию электронов атома можно представить в виде диаграммы (рис. 3.1, а). Как видно из рисунка, электроны в атоме могут обладать лишь значениями энергий, равными W1, W2, W3, W4, и не могут иметь промежуточных уровней.

Электроны, вращающиеся на внешних оболочках, называются валентными. Установлено, что в атоме любого вещества одинаковая энергия может быть не более чем у двух электронов. Иными словами, на одном энергетическом уровне может находиться не более двух электронов. Поскольку в веществе содержится большое количество атомов, вследствие их взаимодействия энергетические уровни электронов, вращающихся по одинаковым орбитам, смещаются относительно энергетических уровней этих же электронов в отдельном «изолированном» атоме. В результате образуются целые энергетические зоны, состоящие из близко расположенных энергетических уровней. Энергетические уровни, образованные валентными электронами, называют валентной зоной (рис. 3.1,б).

↑ Образование свободных электронов и дырок в полупроводнике

Между атомами в кристалле полупроводника существуют ковалентные связи. Ковалентная связь образуется за счет вращения двух электронов, принадлежащих двум рядом расположенным атомам, по одной общей орбите (рис. 3.2, а). Германий и кремний являются четырехвалентными элементами, и их атомы имеют по 4 валентных электрона. В результате образования парных ковалентных связей все атомы германия и кремния оказываются взаимосвязанными. Плоские модели кристаллических решеток чистого германия Ge и кремния Si изображены на рис. 3.2, б. На этом рисунке парные ковалентпые связи показаны двумя параллельными линиями, соединяющими два соседних атома, а электроны, образующие эти связи,— в виде черных точек.

При сообщении электрону дополнительной энергии ковалентная связь может нарушиться и он станет свободным.
Место на внешней орбите атома, где ранее находился электрон, называют дыркой. На энергетической диаграмме дырке соответствует свободный энергетический уровень в валентной зоне, с которого электрон перешел в зону проводимости (рис. 3.2, г).

Образование свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне называют генерацией подвижных носителей заряда, или генерацией пар электрон — дырка, поскольку появление свободного электрона в зоне проводимости обязательно сопровождается появлением дырки в валентной зоне.

Свободный электрон может, теряя часть своей энергии, из зоны проводимости перейти в валентную зону, заполнив собой одну из имеющихся в ней дырок. При этом восстанавливается ковалентная связь. Этот процесс называют рекомбинацией. Таким образом, рекомбинация всегда сопровождается потерей пары электрон—дырка.

↑ Электронный и дырочный токи в полупроводниках

При заданной температуре в полупроводнике всегда имеются разорванные ковалентные связи, т. е. некоторое количество свободных электронов и соответствующее им число дырок. Если к такому полупроводнику подключить источник напряжения, свободные электроны под действием образовавшегося электрического поля будут двигаться в сторону положительного полюса, создавая электрический ток. Кроме того, электроны могут покидать одни ковалентные связи и восстанавливать другие — разрушенные. При этом в одном месте дырка исчезает, а в другом, откуда ушел электрон, появляется. Следовательно, в полупроводнике могут перемещаться не только электроны, но и дырки, и электрический ток включает две составляющие: электронную, образуемую путем перемещения свободных электронов, и дырочную, создаваемую при перемещении дырок. Дырке условно соответствует положительный единичный заряд, равный заряду электрона.

Полупроводники, которые состоят только из атомов германия или кремния, называют чистыми, или собственными, а электропроводность (способность проводить электрический ток), обусловленную наличием свободных электронов и дырок,— собственной электропроводностью.

↑ Примесные полупроводники n-типа

Для придания полупроводниковым приборам необходимых свойств в полупроводники добавляют примеси других элементов. В качестве таковых используются пяти- и трехвалентные элементы, расположенные в V и III группах таблицы Менделеева.

При внесении в германий или кремний пятивалентных элементов (фосфора Р, мышьяка As, сурьмы Sb и др.) четыре валентных электрона примесных атомов образуют устойчивые ковалентные связи с атомами основного вещества. Пятые валентные электроны примесных атомов оказываются как бы лишними, они слабо связаны с атомами, и достаточно тепловой энергии, сообщаемой им при комнатной температуре, чтобы они смогли оторваться от атомов и стать свободными. При этом примесный атом превращается в положительный ион.

Появление свободных электронов не сопровождается дополнительными разрушениями ковалентных связей, а наоборот, некоторые дырки «исчезают», рекомбинируя (восстанавливая связь) со свободными электронами. Следовательно, в таких полупроводниках свободных электронов значительно больше, чем дырок, и протекание тока через полупроводник будет в основном определиться движением электронов и в очень малой степени — движением дырок. Это полупроводники n-типа (от латинского слова negative—отрицательный), примеси же называют донорами. Энергетическая диаграмма полупроводника n-типа приведена на рис. 3.3, а.

↑ Примесные полупроводники р-типа

Если в германий или кремний ввести трехвалентные атомы бора В, индия In, алюминия Аl, галлия Ga и др., то три валентных электрона примесных атомов образуют устойчивые ковалентные связи с тремя рядом расположенными атомами основного вещества. Для образования четвертой ковалентной связи примесным атомам не хватает по одному электрону. Эти электроны они получают вследствие разрыва ковалентных связей между атомами основного вещества. Причем на месте ушедшего электрона образуется дырка, а примесные атомы, принявшие по электрону, превращаются в отрицательные ионы. Таким образом, в полупроводнике образуется дополнительное количество дырок, а число свободных электронов не увеличивается. Электрический ток в таком полупроводнике создается главным образом за счет перемещения дырок в валентной зоне и в незначительной степени — при движении свободных электронов в зоне проводимости. Это полупроводники р-типа (от латинского positive- положительный). Примеси называют акцепторами.

Энергетическая диаграмма примесного полупроводника р-типа приведена на рис. 3.3, б.
Подвижные носители электрического заряда, которые преобладают в полупроводнике данного типа, называются основными, остальные — неосновными. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки, в полупроводнике р-типа, наоборот, дырки — основные носители, а электроны — неосновные.