Электропроводность полупроводников

Акцепторные примеси

Пусть с введением примеси добавочные уровни возникают около верхнего края валентной зоны. В этом случае электроны из валентной зоны переходят на эти добавочные уровни. В валентной зоне при этом появляются дырки, так возникает дырочная электропроводность полупроводника. Такие примеси называют акцепторами (акцепторными примесями). Дополнительные уровни при этом называют акцепторными уровнями.

Полупроводники, имеющие акцепторные примеси называют дырочными (полупроводниками p-типа). Могут существовать смешанные полупроводники.

Каким видом проводимости обладает полупроводник (электронной или дырочной) судят по знаку эффекта Холла.

Процесс введения примесей называется легированием. При очень больших концентрациях примесных уровней может наблюдаться расщепление примесных уровней, в результате чего они могут перекрыть границы соответствующих энергетических зон.

Пример 1

Задание: Объясните, каким типом примеси могут служить атомы мышьяка, атомы бора в кристаллической решетке кремния?

Решение:

Рассмотрим кремний и мышьяк. Кремний — четырехвалентный атом, следовательно, атом кремния имеет четыре электрона. Мышьяк пятивалентен, значит, его атом содержит пять электронов. Пятый электрон может отщепиться от атома мышьяка из-за теплового движения. Положительный ион мышьяка может вытеснить из решетки один из атомов кремния, встав не его место. Так, между узлами решетки появится электрон проводимости. Следовательно, получается, что мышьяк является донорной примесью для кремния.

Рассмотрим бор, как примесь к кремнию. Наружная оболочка атома бора имеет три электрона. Атом бора может захватить недостающий четвертый электрон, из какого — либо соседнего с ним места кристалла кремния. В этом месте появляется дырка, а появившийся отрицательный ион бора может вытеснить из кристаллической решетки атом кремния и занять его место. В кристалле кремния возникает дырочная проводимость. Бор — акцепторная примесь.

Ответ: Мышьяк — донорная примесь в решетке кремния, бор — акцепторная примесь для кремния.

Пример 2

Задание: В термоэлементах в одних случаях ток в горячем спае течет от металла к полупроводнику, а в других от полупроводника к металлу, объясните, почему?

Решение:

Именно различие между электронной и дырочной проводимостью полупроводников объяснятся процесс, описанный в условии задания.

В электронном полупроводнике скорость электронов в горячем конце больше, чем в холодном. Следовательно, электроны просачиваются (диффундируют) от горячего конца к холодному до тех пор, пока возникающее из-за перераспределения зарядов электрическое поле не останавливает поток диффундирующих электронов. После установления равновесия горячий конец, который потерял электроны, имеет положительный заряд, холодный конец, получил избыток электронов, следовательно, имеет отрицательный заряд. Значит, между горячим и холодным концами появляется разность потенциалов (положительная).

В дырочном полупроводнике происходит обратный процесс. Диффузия дырок проходит от горячего конца к холодному. При этом горячий конец получает отрицательный заряд, холодный конец заряжается положительно. Знак разности потенциалов между горячим и холодным концами отрицательный.

Структура кристаллической решетки металла

Вещества, обладающие металлической проводимостью, как правило, имеют во внешней электронной оболочке малое количество электронов, которые относительно слабо связаны ядром и внутренними электронными оболочками. Это и определяет особенности металлической кристаллической решетки.

В кристалле металла ионы с внутренними электронными оболочками образуют узлы решетки, как и в любом другом кристалле. А электронные облака внешних валентных электронов перекрывают друг друга так, что они оказываются общими не только для двух ионов (как это бывает в ковалентной связи), а сразу для нескольких ионов. В результате электроны могут свободно перемещаться между всеми этими ионами, попадая в поле действия более далеких ионов, и перемещаясь уже между ними.

То есть, электроны в кристаллической решетке металла движутся не строго по орбитам между соседними атомами (как в ковалентном кристалле), а образуют своего рода «электронный газ», распределенный по всему кристаллу.

Рис. 1. строение металлической кристаллической решетки.

Электропроводность и носители тока

Электропроводность всех веществ связана с наличием в них носителей тока (носителей заряда) — подвижных заряженных частиц (электронов, ионов) или квазичастиц (например, дырок в полупроводнике), способных перемещаться в данном веществе на большое расстояние, упрощенно можно сказать, что имеется в виду что такая частица или квазичастица должна быть способна пройти в данном веществе сколь угодно большое, по крайней мере макроскопическое, расстояние, хотя в некоторых частных случаях носители могут меняться, рождаясь и уничтожаясь (вообще говоря, иногда, возможно, и через очень небольшое расстояние), и переносить ток, сменяя друг друга.

Поскольку плотность тока определяется для одного типа носителей формулой:

j→=qnv→cp.,{\displaystyle {\vec {j}}=qn{\vec {v}}_{cp.},}
где q{\displaystyle q} — заряд одного носителя,
n{\displaystyle n} — концентрация носителей,
v→cp.{\displaystyle {\vec {v}}_{cp.}} — средняя скорость их движения,

или j→=∑iqiniv→icp.{\displaystyle {\vec {j}}=\sum _{i}q_{i}n_{i}{\vec {v}}_{icp.}} для более чем одного вида носителей, нумеруемых индексом i,{\displaystyle i,} принимающим значение от 1 до количества типов носителей, у каждого из которых может быть свой заряд (возможно отличающийся величиной и знаком), своя концентрация, своя средняя скорость движения (суммирование в этой формуле подразумевается по всем имеющимся типам носителей), то, учитывая, что (установившаяся) средняя скорость каждого типа частиц при движении в конкретном веществе (среде) пропорциональна приложенному электрическому полю (в том случае, когда движение вызвано именно этим полем, что мы здесь и рассматриваем):

v→cp.=μE→,{\displaystyle {\vec {v}}_{cp.}=\mu {\vec {E}},}
где μ{\displaystyle \mu } — коэффициент пропорциональности, называемый подвижностью и зависящий от вида носителя тока в данной конкретной среде.

Отсюда следует, что для электропроводности справедливо выражение:

σ=qnμ,{\displaystyle \sigma =qn\mu ,}

или:

σ=∑iqiniμi{\displaystyle \sigma =\sum _{i}q_{i}n_{i}\mu _{i}} — для более чем одного вида носителей.

Приложение напряжения к диоду с p-n переходом

Полупроводниковый диод — это пластина полупроводника (кремний или германий), одна сторона которой с электропроводностью р-типа, а другая с проводимость n-типа. На внешние поверхности пластины диода нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов.

Приложим к диоду, содержащему p-n переход, напряжение (смещение U от внешнего источника). В этом случае если анод источника «+» соединен с p-областью диода, а катод источника «-» с n-областью, то речь идет о прямом смещении (U > 0). В противоположном случае — это обратное смещение (U < 0).

В электрической цепи с внешним источником диод содержит три соединенных последовательно области: p-область, объемный заряд (барьер), n-область. Так как потенциальный барьер препятствует движению основных носителей, и притом их средняя тепловая энергия kT << Фpn, область объемного заряда практически полностью обеднена свободными носителями тока (электронами и дырками). Данная область обладает наибольшим электрическим сопротивлением и практически все приложенное напряжение U в ней падает.

Рассмотрим случай прямого (а) и обратного (б) смещения:

При прямом смещении (а) поле от внешнего источника направлено навстречу полю, создаваемому объемным зарядом. Следовательно, напряжение U вычитается из барьерной разности потенциалов Upn = Фpn ⁄ e, существовавшей до приложения внешнего смещения. В результате разность потенциалов на барьере становится равной (Upn — U), а высота энергетического барьера:

e(Upn — U) = Фpn — eU.

Уменьшение высоты энергетического барьера приводит к увеличению концентрации основных носителей, преодолевающих барьер. Концентрация электронов за барьером теперь равна: n1 = n0 exp и увеличилась в n1 ⁄ n = exp(eU ⁄ kT) раз. Во столько же раз увеличится и создаваемый ими электронный диффузионный ток:

In1 = exp(eU ⁄ kT).

На ток неосновных носителей (ток насыщения) прямое смещение (так же как и обратное) влияния не оказывает. Ток электронов из p-области в n-область по-прежнему равен Ins и течет навстречу диффузионному току.

Таким образом, электронная компонента прямого тока In будет равна:

In = In1 — Ins = Ins.

Дырочная компонента прямого тока:

Ip = Ip1 — Ips.

Полный ток через p-n переход равен сумме электронной и дырочной компонент: 

I = In — Ip = (Ins + Ips) = Is.

При обратном смещении (б) происходит увеличение высоты потенциального барьера. Так как при этом принято предложенное напряжение U считать отрицательным, то соотношение e(Upn — U) = Фpn — eU остается в силе, так же как и последующие рассуждения. Поэтому формула I = Is
описывает не только прямую, но и обратную ветви вольт амперную-характеристику диода (ВАХ).

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода:

ВАХ

Продолжение линейного участка ВАХ до пересечения с осью U дает значение напряжения отсечки Uотс, которое можно принять за оценку барьерной разности потенциалов Upn ≈ Uотс. Значение Upn совпадает с числовым значением высоты потенциального барьера Фpn, выраженном в электрон-вольтах.

Обратная ветвь ВАХ также отличается от теоретической Iобр = Is для IUI >> kT. В этой области сопротивление электронно дырочного перехода быстро увеличивается и даже превышает сопротивление изоляции диода. Поэтому возникает ток утечки, который течет не через p-n переход, а через постоянное сопротивление изоляции. Этой ситуации соответствует линейный участок обратной ветви, пересечение которого с осью тока I дает оценку тока насыщения Is.

Для оценки ширины электронно дырочного перехода можно использовать формулу: d ≈ √((2εε0Uотс) ⁄ end), где nd — концентрация атомов донорной примеси в полупроводнике n-типа, ε — диэлектрическая проницаемость материала полупроводника.

Интегральные схемы

На основе полупроводниковых кристаллов создаются интегральные схемы, в которых сотни тысяч элементов соединяются в единую электрическую цепь.

Полупроводники используются при создании:

фоторезисторов, которые находят применение в автоматических выключателях света, индикаторах на ИСЗ;

термисторах, используемых для измерения температуры, в пожарной сигнализации, реле времени;

фотоэлементах, используемых в солнечных батареях;

фотодиодах, используемых для измерения интенсивности света;

фототранзисторах, используемых в различных датчиках;

светодиодах, используемых в качестве источника инфракрасного излучения, знаковых индикаторах, полупроводниковых лазерах.

Подведем итог

Полупроводники по электропроводности занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. К полупроводникам относится большая группа веществ (Si, Ge и др.). В отличие от металлов с ростом температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается.

Проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов и дырок. В чистом кристалле электроны и дырки присутствуют в равном количестве. Такой полупроводник обладает собственной проводимостью.

При наличии примесей в полупроводниках возникает примесная проводимость. При добавлении донорной примеси с валентностью на единицу больше, чем у полупроводника, один электрон остается свободным. Получается полупроводник n-типа.

Если же добавить акцепторную примесь с валентностью на единицу меньше, чем у полупроводника, то в таком полупроводнике концентрация дырок превышает концентрацию электронов. Получается полупроводник p-типа.

Область контакта полупроводников двух типов называется p-n-переходом. Важным свойством p-n-перехода является его односторонняя проводимость. Данное свойство используется в работе полупроводникового диода.

Полупроводники используются при создании транзисторов, термисторов, светодиодов, фотоэлементов, интегральных схем.

В настоящее время полупроводниковые приборы находят широкое применение в радиотехнике, автоматике, вычислительной технике, телемеханике.

Полупроводники n типа

Внесение в полупроводник примесей существенно влияет на поведение электронов и энергоуровни спектра кристалла. Валентные электроны примесных атомов создают энергетические уровни в запрещенной зоне спектра. К примеру, если в решетке германия один атом замещен пятивалентным атомом фтора, то энергия дополнительного электрона станет меньше, чем энергия, которая соответствует нижней границе зоны проводимости. Энергетические уровни подобных примесных электронов находятся ниже дна зоны проводимости. Эти уровни заполненные электронами называют донорными. Для перевода электронов с донорных уровней в зону проводимости необходима энергия меньше, чем у чистого полупроводника. После того как электроны переброшены в зону проводимости с донорных уровней, говорят, что в полупроводнике появилась проводимость n-типа. Полупроводники с донорной примесью называют электронными (донорными) или полупроводниками n-типа (negative — отрицательный). Электроны в полупроводниках n — типа служат как основные носители заряда, дырки — неосновными. Энергетическая диаграмма такого полупроводника изображена на рис.1.

Электронная проводимость

Электронная проводимость обусловлена преимущественно электронами и относится к л-типу.

Электронная проводимость, такие полупроволнчкр называются полупропод-ника щ i — Tiina Если же примесные атомы зазузагываюг электроны Iia валентной зоны ( акцепторная примесь), носителями тока оказываются дырки; такие полу лгюводпики называются полупроводниками / ЬтИпа Концентрапнл яримесл обычно невелика, поэтому примесные атомы ре взаимодействуют труг с другом.

Электронная проводимость в подобных проводниках очень мала и в этом случае закон Фарадея соблюдается строго.

Электронная проводимость ничтожно мала. Концентрация катиониых дефектов в решетке эквивалентна концентрации междоузельных катионов.

Электронная проводимость очень мала. Концентрация аниоиных дефектов в решетке эквивалентна концентрации междоузельных анионов. Величина k возрастает с добавкой анионов высшей валентности.

Электронная проводимость очень мала. Число катионных дефектов в решетке эквивалентно числу анионных дефектов в ней.

Электронная проводимость может быть определенными воздействиями вызвана также и у чисто электролитических проводников; так, Шолль показал, что увеличение электропроводности йодистого серебра при освещении, равно как и обнаруженное фон Бедекером 2) повышение электропроводности йодистой закиси меди при прибавлении небольшого количества иода, следует отнести за счет электронной проводимости.

Электронная проводимость в полупроводниках обусловлена движением электронов, но не свободных, как в металлах, а оторванных от своих атомов. Если электрон оторвался от атома, в атоме образуется свободное место, не заполненное электроном, которое назвали дыркой. Сам атом при этом оказывается положительно заряженным.

Электронная проводимость в полупроводниках обусловлена движением электронов, но не свободных, как в металлах, а оторванных от своих атомов. Если электрон оторвался от атома, в атоме образуется свободное место, не заполненное электроном, которое назвали дыркой. Сам атом при этом оказывается положительно заряженным. Под влиянием электрического поля на это место может перескочить электрон из соседнего атома, тогда дырка в данном атоме исчезнет, но появится в соседнем, который в свою очередь зарядится положительно.

Электронная проводимость, а также магнитные и оптические свойства этих соединений объясняются легкостью переходов электронов между двух — и трехвалентными катионами. Такие соединения являются полупроводниками с собственной проводимостью. Проводимость является их природным свойством, а не обусловлена введением примесей ( доноров или акцепторов), как это наблюдается, например, в кристаллах, кремния или германия.

Электронная проводимость играет существенную роль лишь в полупроводниковых стеклах, в частности, в халькогенидных, в бесщелочных и в некоторых щелочных оксидных стеклах, в случае, если последние содержат окислы переходных элементов.

Электронная проводимость почти никогда не играет рола при измерении электросопротивления пластмасс. Электронный удар может иметь место только в течение очень короткого времени непосредственно перед пробоэм образца, а также при стекании заряда с поверхности.

Электронная проводимость обнаруживается в чистых ионных кристаллах, в которых ширина запретной зоны настолько велика по сравнению с работой диссоциации ионов в решетке, что преимущество в числе зарядов перевешивает резкое различие их подвижностей. Появление центров с уровнями электронов, лежащих внутри запретной зоны, изменяет эти соотношения. Перевод электронов с этих центров в свободную полосу или на эти центры из заполненной полосы требует меньшей затраты энергии и осуществляется чаще. В таких кристаллах, наряду с ионной, появляется электронная проводимость, иногда значительно превосходящая ионную.

Электронная проводимость в полимерных материалах осуществляет.

Электронная проводимость при небольшой толщине пленки обеспечивает протекание электрохимических процессов на границе раздела окисел — электролит. Вследствие небольшой электронной проводимости при дальнейшем росте толщины окисной пленки происходит образование запорного слоя с высоким удельным электрическим сопротивлением, резко ограничивающим плотность тока титанового анода при данном значении потенциала.

Прямозонный и непрямозонный полупроводник[править]

Различают два вида полупроводниковых материалов прямозонный полупроводник и непрямозонный полупроводник.

Непрямозонные полупроводники при рекомбинации основных носителей заряда — электронов и дырок не излучают фотонов. Материалы используемые для изготовления светодиодов должны обеспечивать прямые переходы запрещённой зоны (прямозонный полупроводник) с энергиями соответствующими ближней инфракрасной, видимой или ближней ультрафиолетовой области. Типичными полупроводниками с прямозонной энергетической структурой являются GaAs, GaP, GaN, InGaAsP.

При межзонных переходах в непрямозонных полупроводниках необходимо участие третьей частицы с малой энергией, но большим квазиимпульсом. Такой частицей в твердых телах является акустический фонон. Поскольку вероятность излучательных переходов с участием трех частиц ниже, чем двух, то, следовательно, в непрямозонных полупроводниках вероятность излучательной рекомбинации будет всегда меньше, чем в прямозонных.

Для оптоэлектронных устройств предпочтительнее использовать полупроводниковые соединения с прямозонной энергетической структурой, спектральный диапазон которых лежит в области фундаментального поглощения.

Для реализации оптического перехода электрона из состояния 1 (в зоне проводимости) в состояние 2 (в валентной зоне) с испусканием фотона hν, необходим дополнительный процесс рассеяния с участием какого-либо рассеивающего центра или квазичастицы, взаимодействие с которой способно изменить волновой вектор электрона (или дырки). Такими квазичастицами или рассеивающими центрами могут быть кванты колебаний кристаллической решетки (фононы), свободные носители заряда (электроны и дырки), примесные атомы, границы раздела и т. д

1.9. Неравновесные носители

Образование
свободных носителей заряда в полупроводниках
связано с переходом электронов из
валентной зоны в зону проводимости. Для
осуществления такого перехода электрон
должен получить энергию, достаточную
для преодоления запрещенной зоны. Эту
энергию электрон получает от ионов
решетки, совершающих тепловые колебания.
Таким образом, преодоление запрещенной
зоны электроном происходит обычно за
счет тепловой энергии решетки. Концентрация
носителей заряда, вызванная термическим
возбуждением в состоянии теплового
равновесия, называется равновесной.

Однако
помимо теплового возбуждения появление
свободных носителей заряда может быть
связано с другими причинами, например,
в результате облучения фотонами или
частицами большой энергии, ударной
ионизации, введения носителей заряда
в полупроводник из другого тела (инжекция)
и др. Возникшие таким образом избыточные
носители заряда называются неравновесными.
Таким образом, полная концентрация
носителей заряда равна:

(1.31)

(1.32)

где
n
и p
— равновесная концентрация, а Δn и Δp —
неравновесная концентрация электронов
и дырок. Если возбуждение избыточных
электронов производилось из валентной
зоны, а полупроводник однородный и не
содержит объемного заряда, то концентрация
избыточных электронов равна концентрации
избыточных дырок:

(1.33)

После
прекращения действия механизма,
вызвавшего появление неравновесной
концентрации носителей, происходит
постепенное возвращение к равновесному
состоянию. Процесс установления
равновесия заключается в том, что каждый
избыточный электрон при встрече с
вакантным местом (дыркой) занимает его,
в результате чего пара неравновесных
носителей исчезает. Явление исчезновения
пары носителей получило название
рекомбинации.
В свою очередь возбуждение электрона
из валентной зоны или примесного уровня,
сопровождающееся появлением дырки,
называется генерацией
носителей заряда.

На рисунке 1.9 G —
это темп генерации, а R — темп рекомбинации
свободных носителей заряда в собственном
полупроводнике.

Рис. 1.9. Генерация
и рекомбинация свободных электронов и
дырок в полупроводниках

Скорость (темп)
рекомбинации R пропорциональна
концентрации свободных носителей
заряда:

(1.34)

где γ
— коэффициент рекомбинации. При отсутствии
освещения (в темноте) G=G
и
,
величины n
и p
иногда называют темновыми концентрациями
свободных электронов и дырок соответственно.
Из формул (1.30) и (1.14) получим:

(1.35)

где
Eg
= EC
— EV
— ширина запрещенной зоны. Таким образом,
G
будет больше в узкозонных полупроводниках
и при высоких температурах.

Если в полупроводнике
нет электрического тока и объемных
зарядов, то изменение во времени
неравновесных концентраций электронов
и дырок в зонах определяется уравнениями:

(1.36)

Скорости (темпы)
генерации и рекомбинации имеют две
составляющие:

уууууууууууууууууууууууууууууууу   (1.37)

где
ΔG, ΔR — темпы генерации и рекомбинации
только неравновесных электронов, то
есть ΔG — это темп генерации электронов
и дырок за счет освещения полупроводника,
R
= γnp
и ΔR = γ·Δn·Δp. Используя равенство (1.31),
(1.32) и (1.34), уравнение (1.36) можно свести к
следующему:

(1.38)

Рассмотрим процесс
рекомбинации неравновесных носителей
заряда (то есть при выключении освещения
в момент времени t = 0). Общее решение
уравнения (1.38) довольно сложное. Поэтому
рассмотрим два частных случая.

В
собственном полупроводнике при сильном
освещении Δn >> n+p.
Из (1.38) получим:

(1.39)

где
Δn
— начальная концентрация неравновесных
носителей заряда. Спад концентрации
происходит по параболическому закону.

В
донорном полупроводнике в случае полной
ионизации доноров n
= ND,
p
<< n.
Будем также считать, что Δn << ND.
Уравнение (1.38) сводится к виду:

(1.40)

где введено
обозначение:

(1.41)

Уравнение (1.40)
легко решается:

(1.42)

Величина τ имеет
смысл среднего времени электронов в
зоне проводимости. Полученные решения
иллюстрируются на рисунке 1.10. Из (1.42)
видно, что процесс рекомбинации
описывается экспоненциальной зависимостью
от времени, причем среднее время жизни
представляет собой такой отрезок
времени, за который концентрация
избыточных носителей изменяется в «е»
раз.

В
заключение отметим, что неравновесные
носители заряда появляются только в
том случае, если энергия фотонов при
освещении полупроводника превышает
ширину запрещенной зоны (hν > Eg).

Рис. 1.10. Спад
неравновесной концентрации электронов
во времени в донорном полупроводнике

Электронно-дырочная проводимость.

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Электронная проводимость.

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов. Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи.

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Дырочная проводимость.

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

На этом давайте остановимся, а в следующей части рассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.
Удачи!

1. Борисов В.Г. — Юный радиолюбитель. 1985г.2. Сайт academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

10.2.2. Примесная проводимость

Для
всех чистых полупроводников Е

kT,и проводимость
обеспечивают электроны и дырки. По-другому
будет строиться проводимость в случае
полупроводников с добавками. Так, при
наличии в четырехвалентном Ge4
(в матрице)
пятивалентных добавок (типа P5

см. рис. 10.10)
будем иметь примесной
полупроводник

nтипа
Ge4

P5
(также при добавке As5
и др.). В
таких полупроводниках один электрон
пятивалентной примеси не может участвовать
в ковалентной связи кристаллической
решетки и оказывается свободным, т.е.
может перемещаться под действием
тепловой энергии внутри решетки.

В
случае полупроводника типа Ge4
(той
же четырехвалентной матрицы) с
трехвалентными добавками типа B3
будем иметь примесной
полупроводник
pтипа

(рис.
10.11
).
Такая же прово-

Рис.
10.10 Рис. 10.11

димость
будет в полупроводниках типа Si4
с добавками In3
и в других аналогичных полупроводниках.
В таких полупроводниках для образования
связей с четырьмя ближайшими соседями
в кристаллической решетке у атома бора
не хватает одного электрона. При этом
одна из связей остается свободной и
четвертый электрон может быть захвачен
от соседнего атома основного вещества
матрицы, где образуется дырка. Далее
может происходить последовательное
заполнение дырок электронами, что
равнозначно движению дырок по
кристаллической решетке.

На
основании зонной схемы уровней введение
примесей в рассмотренных случаях
приводит к появлению в запрещенной зоне
примесных энергетических уровней. При
этом будут возникать либо донорные
уровни вблизи потолка запрещенной зоны,
либо акцепторные
уровни вблизи дна этой же зоны.

Соответственно,
будут возникать донорные
полупроводники nтипа
(рис. 10.12),
либо акцепторные
pтипа
(рис. 10.13).
Для таких полупроводников получим для
ширины запрещенной зоны: Е
~ 10–1
эВ, а для
интервалов донорных или акцепторных
уровней, соответственно: ЕD
~ 10–2
эВ и ЕA
~ 10–2
эВ.

В
отличие от собственной проводимости,
осуществляющейся одновременно электронами
и дырками, примесная проводимость
обусловлена в основном носителями
одного знака: электронами – в случае
донорной
примеси и дырками – в случае акцепторной.

Рис.
10.12 Рис. 10.13

Донорные
уровни соответствующей примеси отдают
за счет тепловой энергии электроны в
зону проводимости, обеспечивая
электропроводность полупроводника.
Акцепторные уровни другой примеси
забирают электроны из валентной зоны,
создавая в ней дырки и таким способом
обеспечивая проводимость соответствующих
полупроводников.

Общая
зависимость проводимости полупроводников
от
представлена
на рис. 10.14.
Как видно из этого рисунка, при низких
температурах (больших
)
проявляется примесная проводимость,
обусловленная в основном ростом
концентрации примесных носителей. Затем
при росте температуры (убывании)
истощение примесей, обеспечивающих
создание носителей тока, становится
подавляющим, а далее (при дальнейшем
росте температуры) преобладает собственная
проводимость полупроводников.

Рис.
10.14

Строение атомов полупроводников.

Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыре валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.
На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.

Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих, и по одному, заимствованных от четырех соседних атомов. Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий