В нашей статье будут рассмотрены примеры полупроводников, их свойства и сферы применения. Эти материалы имеют свое место в радиотехнике и электронике. Они являются чем-то средним между диэлектриком и проводником. Кстати, простое стекло тоже можно считать полупроводником - в обычном состоянии оно ток не проводит. Зато при сильном нагреве (практически до жидкого состояния) происходит изменение свойств и стекло становится проводником. Но это исключительный пример, у других материалов все обстоит немного иначе.
Основные особенности полупроводников
Показатель проводимости составляет около 1000 Ом*м (при температуре 180 градусов). Если сравнивать с металлами, то у полупроводников происходит уменьшение удельной проводимости при возрастании температуры. Такое же свойство имеется у диэлектриков. У полупроводниковых материалов имеется достаточно сильная зависимость показателя удельной проводимости от количества и типа примесей.
Допустим, если ввести в чистый германий всего тысячную долю мышьяка, произойдет увеличение проводимости примерно в 10 раз. Все без исключения полупроводники чувствительны к воздействиям извне - ядерному облучению, свету, электромагнитным полям, давлению и т. д. Можно привести примеры полупроводниковых материалов - это сурьма, кремний, германий, теллур, фосфор, углерод, мышьяк, йод, бор, а также различные соединения этих веществ.
Особенности применения полупроводников
Благодаря тому, что у полупроводниковых материалов такие специфические свойства, они получили довольно широкое распространение. На их основе изготавливают диоды, транзисторы, симисторы, лазеры, тиристоры, датчики давления, магнитного поля, температуры, и т. д. После освоения полупроводников произошло коренное преобразование в автоматике, радиотехнике, кибернетике и электротехнике. Именно при помощи использования полупроводников удалось достичь таких маленьких габаритов техники - нет нужды использовать массивные блоки питания и радиолампы размером с полуторалитровую банку.
Ток в полупроводниках
В проводниках ток определяется тем, куда двигаются свободные электроны. В полупроводниковых материалах свободных электронов очень много, на это есть причины. Все валентные электроны, которые имеются в полупроводнике, не свободны, так как они связываются со своими атомами.
В полупроводниках ток может появляться и меняться в достаточно широких пределах, но только при наличии воздействия извне. Ток меняется при нагреве, облучении, введении примесей. Все воздействия способны значительно увеличить у валентных электронов энергию, что способствует их отрыву от атомов. А приложенное напряжение заставляет эти электроны перемещаться в определенном направлении. Другими словами, эти электроны становятся носителями тока.
Дырки в полупроводниках
При повышении температуры или интенсивности внешнего облучения происходит увеличение количества свободных электронов. Следовательно, увеличивается ток. Те атомы в веществе, которые потеряли электроны, становятся положительными ионами, они не перемещаются. С внешней стороны атома, с которого ушел электрон, остается дырка. В нее может встать другой электрон, который покинул свое место в атоме поблизости. В результате этого на внешней части у соседнего атома образуется дырка - он превращается в ион (положительный).
Если к полупроводнику приложить напряжение, то электроны начнут двигаться от одних атомов к соседним в определенном направлении. Дырки же начнут перемещаться во встречном направлении. Дырка - это положительно заряженная частица. Причем заряд у нее по модулю такой же, как у электрона. С помощью такого определения можно существенно упростить анализ всех процессов, которые протекают в полупроводниковом кристалле. Ток дырок (обозначается I Д) - это перемещение частиц в направлении, обратном движению электронов.
Электронно-дырочный переход
У полупроводника имеется два типа электропроводимости - электронная и дырочная. В чистых полупроводниках (без примесей) у дырок и электронов концентрация (N Д и N Э соответственно) одинаковая. По этой причине такая электропроводность называется собственной. Суммарное значение тока будет равно:
Но если учесть тот факт, что у электронов значение подвижности больше, чем у дырок, можно прийти к такому неравенству:
Подвижность заряда обозначается буквой М, это одно из главных свойств полупроводников. Подвижность - это отношение двух параметров. Первый - скорость перемещения носителя заряда (обозначается буквой V с индексом «Э» или «Д», в зависимости от типа носителя), второй - это напряженность электрического поля (обозначается буквой Е). Можно выразить в виде формул:
М Э = (V Э / Е).
М Д = (V Д / Е).
Подвижность позволяет определить путь, который проходит дырка или электрон за одну секунду при значении напряженность 1 В/см. можно теперь вычислить собственный ток полупроводникового материала:
I = N * e * (М Э + М Д) * E.
Но нужно отметить, что у нас есть равенства:
N = N Э = N Д.
Буквой е в формуле обозначается заряд электрона (это постоянная величина).
Полупроводниковые приборы
Сразу можно привести примеры полупроводниковых приборов - это транзисторы, тиристоры, диоды, и даже микросхемы. Конечно, это далеко не полный список. Чтобы изготовить полупроводниковый прибор, нужно использовать материалы, у которых проводимость дырочная или электронная. Чтобы получить такой материал, необходимо в идеально чистый полупроводник с концентрацией примесей менее 10 -11 % ввести добавку (ее называют легирующей примесью).
Те примеси, у которых валентность оказывается больше, чем у полупроводника, отдают свободные электроны. Эти примеси называются донорами. А вот те, у которых валентность меньше, чем у полупроводника, имеют свойство хватать и удерживать электроны. Их называют акцепторами. Для того чтобы получился полупроводник, который будет обладать лишь проводимостью электронного типа, в исходный материал достаточно ввести вещество, у которого валентность будет всего на единицу больше. Для примера полупроводников в физике школьного курса рассматривается германий - его валентность равна 4. В него добавляется донор - фосфор или сурьма, у них валентность равна пяти. Металлов-полупроводников немного, они практически не используются в технике.
При этом 4 электрона в каждом атоме осуществляют установку четырех парных (ковалентных) связей с германием. Пятый электрон не имеет такой связи, а значит, он в свободном состоянии. И если приложить к нему напряжение, он будет образовывать электронный ток.
Токи в полупроводниках
Когда ток электронов больше, чем дырок, полупроводник называют n-типа (отрицательного). Рассмотрим пример - в идеально чистый германий вводят немного примеси акцептора (допустим, бор). При этом каждый атом акцептора начнет устанавливать ковалентные связи с германием. Но вот четвертый атом германия не имеет связи с бором. Следовательно, у определенного количества атомов германия будет иметься только один электрон без связи ковалентного типа.
Но достаточно незначительного воздействия извне, чтобы электроны начали покидать свои места. При этом у германия образовываются дырки.
По рисунку видно, что на 2, 4 и 6 атомах свободные электроны начинают присоединяться к бору. По этой причине не создается ток в полупроводнике. На поверхности атомов германия образуются дырки с номерами 1, 3 и 5 - с их помощью происходит переход на них электронов от расположенных рядом атомов. На последних же начинают появляться дырки, так как электроны с них улетают.
Каждая дырка, которая возникает, начнет переходить между атомами германия. При воздействии напряжения дырки начинают двигаться упорядоченно. Другими словами, в веществе появляется ток дырок. Такой тип полупроводников называется дырочным или p-типа. При воздействии напряжения двигаются не только электроны, но и дырки - они встречают на своем пути разнообразные препятствия. При этом происходит потеря энергии, отклонение от изначальной траектории. Иными словами, заряд носителей рассеивается. Все это происходит из-за того, что в полупроводнике содержатся загрязняющие примеси.
Чуть выше были рассмотрены примеры веществ-полупроводников, которые используются в современной технике. У всех материалов имеются свои особенности. В частности, одно из ключевых свойств - это нелинейность вольт-амперной характеристики.
Иными словами, когда происходит увеличение напряжения, которое прикладывается к полупроводнику, происходит быстрое возрастание тока. Сопротивление при этом резко уменьшается. Такое свойство нашло применение в разнообразных вентильных разрядниках. Примеры неупорядоченных полупроводников можно более детально рассмотреть в специализированной литературе, их применение строго ограничено.
Хороший пример: при рабочем значении напряжения у разрядника сопротивление высокое, поэтому от ЛЭП ток не уходит в землю. Но как только в провод или опору ударяет молния, сопротивление очень быстро уменьшается практически до нуля, весь ток уходит в землю. И напряжение снижается до нормального значения.
Симметричная ВАХ
Когда происходит смена полярности напряжения, в полупроводнике ток начинает протекать в обратном направлении. И меняется он по тому же закону. Это говорит о том, что полупроводниковый элемент обладает симметричной вольт-амперной характеристикой. В том случае, если одна часть элемента имеет дырочный тип, а вторая - электронный, то на границе их соприкосновения появляется p-n-переход (электронно-дырочный). Именно такие переходы имеются во всех элементах - транзисторах, диодах, микросхемах. Но только в микросхемах на одном кристалле собирается сразу несколько транзисторов - иногда их количество более десятка.
Как происходит образование перехода
А теперь давайте рассмотрим, как происходит образование p-n-перехода. Если контакт дырочного и электронного полупроводников не очень качественный, то происходит образование системы, состоящей из двух областей. Одна будет иметь дырочную проводимость, а вторая - электронную.
И электроны, которые находятся в n-области, начнут диффундировать туда, где их концентрация меньше - то есть, в р-область. Одновременно с электронами дырки двигаются, но направление у них обратное. При взаимной диффузии происходит уменьшение концентрации в n-области электронов и в р-области дырок.
Основное свойство p-n-перехода
Рассмотрев примеры проводников, полупроводников и диэлектриков, можно понять, что свойства у них различные. Например, основное качество полупроводников - это возможность пропускания тока только лишь в одном направлении. По этой причине приборы, изготовленные с использованием полупроводников, получили широкое распространение в выпрямителях. На практике, используя несколько измерительных приборов, можно увидеть работу полупроводников и оценить массу параметров - как в режиме покоя, так и при воздействии внешних «раздражителей».
Полупроводниковые приборы, обладающие рядом свойств, которые делают их применение предпочтительным перед вакуумными приборами, все более широко используются в электронной технике. В последние годы, характеризующиеся прогрессом в полупроводниковой электронике, разрабатываются приборы на новых физических принципах.
К полупроводникам относят многие химические элементы, такие, как кремний, германий, индий, фосфор и др., большинство оксидов, сульфидов, селенидов и теллуридов, некоторые сплавы, ряд минералов. По словам академика А. Ф. Иоффе, "полупроводники - это почти весь окружающий нас неорганический мир".
Полупроводники бывают кристаллические, аморфные и жидкие. В полупроводниковой технике обычно используют только кристаллические полупроводники (монокристаллы с примесями не более одного атома примеси на 1010 атомов основного вещества). Обычно к полупроводникам относят вещества, по удельной электрической проводимости занимающие промежуточное положение между металлами и диэлектриками (отсюда происхождение их названия). При комнатной температуре удельная электрическая проводимость их составляет от 10-8 до 105 См/м (для металлов - 106-108 См/м, для диэлектриков - 10-8-10-13 См/м). Основная особенность полупроводников - возрастание удельной электрической проводимости при повышении температуры (для металлов она падает). Электропроводность полупроводников значительно зависит от внешних воздействий: нагревания, облучения, электрического и магнитного полей, давления, ускорения, а также от содержания даже незначительного количества примесей. Свойства полупроводников хорошо поясняются с помощью зонной теории твердого тела.
Атомы всех веществ состоят из ядра и электронов, движущихся по замкнутой орбите вокруг ядра. Электроны в атоме группируются в оболочки. У основных полупроводников, используемых для создания полупроводниковых приборов - кремния и германия, кристаллическая решетка тетраэдрическая (имеет форму правильной треугольной пирамиды) (рис. 16.1). Проекция структуры Ge на плоскость показана на рис. 16.2. Каждый валентный электрон, т. е. электрон, находящийся на внешней, незаполненной, оболочке атома, в кристалле принадлежит не только своему, но и ядру соседнего атома. Все атомы в кристаллической решетке расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и связаны ковалентными связями (ковалентной называется связь между парой валентных электронов двух атомов, на рис. 16.2 она показана двумя линиями). Эти связи являются прочными; чтобы их разорвать, нужно извне приложить энергию.
Энергия электрона W дискретна, или квантована, поэтому электрон может двигаться только по той орбите, которая соответствует его энергии. Возможные значения энергии электрона можно представить на диаграмме энергетическими уровнями (рис. 16.3). Чем более удалена орбита от ядра, тем больше энергия электрона и тем более высок его энергетический уровень. Энергетические уровни разделены зонами II, соответствующими запрещенной энергии для электронов (запрещенные зоны). Так как в твердом теле соседние атомы находятся очень близко друг от друга, это вызывает смещение и расщепление энергетических уровней, в результате чего образуются энергетические зоны, называемые разрешенными (I, III, IV на рис. 16.3). Ширина разрешенных зон обычно равна нескольким электрон-вольт. В энергетической зоне число разрешенных уровней равно числу атомов в кристалле. Каждая разрешенная зона занимает определенную область энергии и характеризуется минимальным и максимальным уровнями энергии, которые называются соответственно дном и потолком зоны.
Разрешенные зоны, в которых электроны отсутствуют, называются свободными (I). Свободная зона, в которой при температуре 0 К электронов нет, а при более высокой температуре они могут в ней находиться, называется зоной проводимости.
Она находится выше валентной зоны (III) - верхней из заполненных зон, в которых все энергетические уровни заняты электронами при температуре 0 К.
В зонной теории подразделение твердых тел на металлы, полупроводники и диэлектрики основано на ширине запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости и степени заполнения разрешенных энергетических зон (рис. 16.4). Ширина запрещенной зоны ΔWa называется энергией активации собственной электропроводности. Для металла ΔWa = 0 (рис. 16.4, а); условно при ΔWa ≤ 2 эВ кристалл является полупроводником (рис. 16.4,6), при ΔWa ≥ 2 эВ - диэлектриком (рис. 16.4, в). Так как у полупроводников значение ΔWa сравнительно невелико, то достаточно сообщить электрону энергию, сравнимую с энергией теплового движения, чтобы он перешел из валентной зоны в зону проводимости. Этим объясняется особенность полупроводников - увеличение электропроводности при повышении температуры.
Электропроводность полупроводников. Собственная электропроводность. Для того чтобы вещество обладало электропроводностью, оно должно содержать свободные носители заряда. Такими носителями заряда в металлах являются электроны. В полупроводниках - электроны и дырки.
Рассмотрим электропроводность собственных полупроводников (i-тип), т. е. таких веществ, в которых не содержатся примеси и нет структурных дефектов кристаллической решетки (пустых узлов, сдвигов решетки и др.) При температуре 0 К в таком полупроводнике свободных носителей заряда нет. Однако с повышением температуры (или при другом энергетическом воздействии, например освещении) часть ковалентных связей может быть разорвана и валентные электроны, став свободными, могут уйти от своего атома (рис. 16.5). Потеря электрона превращает атом в положительный ион. В связях на том месте, где раньше был электрон, появляется свободное ("вакантное") место - дырка. Заряд дырки положительный и по абсолютному значению равен заряду электрона.
Свободное место - дырку - может заполнить валентный электрон соседнего атома, на месте которого в ковалентной связи образуется новая дырка, и т. д. Таким образом, одновременно с перемещением валентных электронов будут перемещаться и дырки. При этом следует иметь в виду, что в кристаллической решетке атомы "жестко" закреплены в узлах. Уход электрона из атома приводит к ионизации, а последующее перемещение дырки означает поочередную ионизацию "неподвижных" атомов. Если электрическое поле отсутствует, электроны проводимости совершают хаотическое тепловое движение. Если полупроводник поместить во внешнее электрическое поле, то электроны и дырки, продолжая участвовать в хаотическом тепловом движении, начнут перемещаться (дрейфовать) под действием поля, что и создаст электрический ток. При этом электроны перемещаются против направления электрического поля, а дырки, как положительные заряды,- по направлению поля. Электропроводность полупроводника, возникающая за счет нарушения ковалентных связей, называется собственной электропроводностью.
Электропроводность полупроводников может быть объяснена и с помощью зонной теории. В соответствии с ней все энергетические уровни валентной зоны при температуре 0 К заняты электронами. Если электронам сообщить извне энергию, превышающую энергию активации ΔWa, то часть валентных электронов перейдет в зону проводимости, где они станут свободными, или электронами проводимости. Вследствие ухода электронов из валентной зоны в ней образуются дырки, число которых, естественно, равно числу ушедших электронов. Дырки могут быть заняты электронами, энергия которых соответствует энергии уровней валентной зоны. Следовательно, в валентной зоне перемещение электронов вызывает перемещение в противоположном направлении дырок. Хотя в валентной зоне перемещаются электроны, обычно удобнее рассматривать движение дырок.
Процесс образования пары "электрон проводимости - дырка проводимости" называется генерацией пары носителей заряда (1 на рис. 16.6). Можно сказать, что собственная электропроводность полупроводника - это электропроводность, вызванная генерацией пар "электрон проводимости - дырка проводимости". Образовавшиеся электронно-дырочные пары могут исчезнуть, если дырка заполняется электроном: электрон станет несвободным и потеряет возможность перемещения, а избыточный положительный заряд иона атома окажется нейтрализованным. При этом одновременно исчезают и дырка, и электрон. Процесс воссоединения электрона и дырки называется рекомбинацией (2 на рис. 16.6). Рекомбинацию в соответствии с зонной теорией можно рассматривать как переход электронов из зоны проводимости на свободные места в валентную зону. Отметим, что переход электронов с более высокого энергетического уровня на более низкий сопровождается высвобождением энергии, которая либо излучается в виде квантов света (фотоны), либо передается кристаллической решетке в виде тепловых колебаний (фононы). Среднее время существования пары носителей заряда называется временем жизни носителей заряда. Среднее расстояние, которое проходит носитель заряда за время жизни, называется диффузионной длиной носителя заряда (Lр, - для дырок, Ln - для электронов).
При постоянной температуре (и в отсутствие других внешних воздействий) кристалл находится в состоянии равновесия: число генерированных пар носителей заряда равно числу рекомбинированных пар. Число носителей заряда в единице объема, т. е. их концентрация, определяет значение удельной электрической проводимости. Для собственного полупроводника концентрация электронов ni равна концентрации дырок pi (ni = pi).
Примесная электропроводность. Если в полупроводник внести примесь, он будет обладать помимо собственной электропроводности еще и примесной. Примесная электропроводность может быть электронной или дырочной. В качестве примера рассмотрим случай, когда в чистый германий (четырехвалентный элемент) вводится примесь пятивалентного элемента, например мышьяка (рис. 16.7, а). Атом мышьяка связывается в кристаллической решетке германия ковалентными связями. Но в связи могут участвовать только четыре валентных электрона мышьяка, а пятый электрон оказывается "лишним", менее сильно связанным с атомом мышьяка. Для того чтобы этот электрон оторвать от атома, нужно значительно меньше энергии, поэтому уже при комнатной температуре он может стать электроном проводимости, не оставляя при этом в ковалентной связи дырки. Таким образом, в узле кристаллической решетки появляется положительно заряженный ион примеси, а в кристалле - свободный электрон. Примеси, атомы которых отдают свободные электроны, называются донорными (донорами).
На рис. 16.7,б показана диаграмма энергетических зон полупроводника с донорной примесью. В запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости создается разрешенный энергетический уровень (примесный, донорный), на котором при температуре, близкой к 0 К, располагаются "лишние" электроны. Для перевода электрона с примесного уровня в зону проводимости требуется меньше энергии, чем для перевода электрона из валентной зоны. Расстояние от донорного уровня до дна зоны проводимости называется энергией ионизации (активации) доноров ΔWиd.
Внесение в полупроводник донорной примеси существенно увеличивает концентрацию свободных электронов, а концентрация дырок остается такой же, какой она была в собственном полупроводнике. В таком примесном полупроводнике электропроводность обусловлена в основном электронами, ее называют электронной, а полупроводники - полупроводниками n-типа. Электроны в полупроводниках n-типа являются основными носителями заряда (их концентрация высока), а дырки - неосновными.
Если в германий ввести примесь трехвалентного элемента (например, индия), то для образования восьмиэлектронной ковалентной связи с германием индию не хватит одного электрона. Одна связь останется незаполненной. При незначительном повышении температуры в незаполненную валентную связь может перейти электрон соседнего атома германия, оставив на своем месте дырку (рис. 16.8, а), которая может быть также заполнена электроном и т. д. Таким образом, дырка как бы перемещается в полупроводнике. Примесный атом превращается в отрицательный ион. Примеси, атомы которых способны при возбуждении принять валентные электроны соседних атомов, создав в них дырку, называют акцепторными или акцепторами.
На рис. 16.8,б показана диаграмма энергетических зон полупроводника с акцепторной примесью. В запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны создается примесный энергетический уровень (акцепторный). При температурах, близких к 0 К, этот уровень свободен, при повышении температуры он может быть занят электроном валентной зоны, в которой после ухода электрона образуется дырка. Расстояние от потолка валентной зоны до акцепторного уровня называется энергией ионизации (активации) акцепторов ΔWиa. Внесение в полупроводник акцепторной примеси существенно увеличивает концентрацию дырок, а концентрация электронов остается такой же, какой она была в собственном полупроводнике. В этом примесном полупроводнике электропроводность обусловлена в основном дырками, ее называют дырочной, а полупроводники - полупроводниками р-типа. Дырки для полупроводника р-типа - основные носители заряда, а электроны - неосновные.
В примесных полупроводниках наряду с примесной электропроводностью существует и собственная, обусловленная наличием неосновных носителей. Концентрация неосновных носителей в примесном полупроводнике уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается концентрация основных носителей, поэтому для полупроводников n-типа справедливо соотношение nnpn = nipi = ni2 = pi2 , а для полупроводников р-типа - соотношение ppnp = ni2 = pi2 , где nn и pn - концентрация основных, a pp и np - концентрация неосновных носителей заряда соответственно в полупроводнике n и р-типа.
Удельная электрическая проводимость примесного полупроводника определяется концентрацией основных носителей и тем выше, чем больше их концентрация. На практике часто встречается случай, когда полупроводник содержит и донорные, и акцепторные примеси. Тогда тип электропроводности будет определяться примесью, концентрация которой выше. Полупроводник, у которого концентрации доноров Nd и акцепторов Na равны (Nd = Na)), называют скомпенсированным.
По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между хорошими проводниками (σ = 10 6 -10 4 Ом -1 см -1) и диэлектриками (σ= -12 — 10 -10 Ом -1 см -1). К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, индий, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.
На электрическую проводимость полупроводников оказывает влияние кроме температуры сильное электрическое поле, давление, воздействие оптического и ионизирующего излучения, наличие примесей и другие факторы, способные изменять структуру вещества и состояние электронов. Это обстоятельство играет решающую роль в многочисленном и разнообразном использовании полупроводников .
Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами.
Зависимость удельного сопротивления чистого полупроводника от температуры.
Такой ход зависимости ρ (T ) показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов. Рассмотрим качественно этот механизм на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен.
Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре слабо связанных электрона. Их называют ковалентными электронами . В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам.
Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары
Валентные электроны в кристалле германия связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.
При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название дырок. Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместится на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: n n = n p . Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников .
При наличии примесей электрическая проводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка в кристалл кремния примесей фосфора в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков. Такое сильное влияние примесей может быть объяснено на основе изложенных выше представлений о строении полупроводников. Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.
Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью . Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную .
Электронная проводимость
возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).
Полупроводник n — типа. Атом мышьяка в кристаллической решётке германия.
На рисунке показан пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорной примесью . В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.
В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле n n >> n p . Такая проводимость называется электронной , а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n -типа .
Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In). На рисунке показан атом индия, который с помощью своих валентных электронов создал ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия.
Полупроводник р-типа. Атом Индия в кристаллической решётке германия
На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия. Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью . В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.
Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: n p >> n n . Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью . Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p -типа . Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p -типа являются дырки.
Следует подчеркнуть, что дырочная проводимость в действительности обусловлена эстафетным перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь.
Для полупроводников n — и p -типов закон Ома выполняется в определенных интервалах сил тока и напряжений при условии постоянства концентраций свободных носителей.
Какие у него особенности? Какова физика полупроводников? Как они построены? Что такое проводимость полупроводников? Какими физическими показателями они обладают?
Что называют полупроводниками?
Так обозначают кристаллические материалы, которые не проводят электричество столь хорошо, как это делают металлы. Но всё же этот показатель лучше, чем имеют изоляторы. Такие характеристики обусловлены количеством подвижных носителей. Если рассматривать в общем, то здесь существует крепкая привязанность к ядрам. Но при введении в проводник нескольких атомов, допустим, сурьмы, которая обладает избытком электронов, это положение будет исправляться. При использовании индия получают элементы с позитивным зарядом. Все эти свойства широко применяются в транзисторах - специальных устройствах, которые могут усиливать, блокировать или пропускать ток только в одном направлении. Если рассматривать элемент NPN-типа, то можно отметить значительную усиливающую роль, что особенно бывает важным при передаче слабых сигналов.
Конструктивные особенности, которыми обладают электрические полупроводники
Проводники имеют много свободных электронов. Изоляторы ими вообще практически не обладают. Полупроводники же содержат и определённое количество свободных электронов, и пропуски с позитивным зарядом, которые готовы принять освободившиеся частицы. И что самое главное - они все проводят Рассмотренный ранее тип NPN-транзистора - не единый возможный полупроводниковый элемент. Так, существуют ещё PNP-транзисторы, а также диоды.
Если говорить про последний кратко, то это такой элемент, что может передавать сигналы только в одном направлении. Также диод может превратить переменный ток в постоянный. Каков механизм такого превращения? И почему он двигается только в одном направлении? Зависимо от того, откуда идёт ток, электроны и пропуски могут или расходиться, или идти навстречу. В первом случает из-за увеличения расстояния происходит прерывание подачи снабжения, поэтому и осуществляется передача носителей негативного напряжения только в одну сторону, то есть проводимость полупроводников является односторонней. Ведь ток может передаваться исключительно в случае, если составляющие частицы находятся рядом. А это возможно только при подаче тока с одной стороны. Вот такие типы полупроводников существуют и используются на данный момент.
Зонная структура
Электрические и оптические свойства проводников связаны с тем, что при заполнении электронами уровней энергии они отделены от возможных состояний запрещенной зоной. Какие у неё особенности? Дело в том, что в запрещенной зоне отсутствуют уровни энергии. При помощи примесей и дефектов структуры это можно изменить. Высшая полностью заполненная зона называется валентной. Затем следует разрешенная, но пустая. Она называется зоной проводимости. Физика полупроводников - довольно интересная тема, и в рамках статьи она будет хорошо освещена.
Состояние электронов
Для этого используются такие понятия, как номер разрешенной зоны и квазиимпульс. Структура первой определяется законом дисперсии. Он говорит о том, что на неё влияет зависимость энергии от квазиимпульса. Так, если валентная зона является целиком заполненной электронами (которые переносят заряд в полупроводниках), то говорят, что в ней отсутствуют элементарные возбуждения. Если по какой-то причине частицы нет, то это значит, что здесь появилась положительно заряженная квазичастица - пропуск или дыра. Они являются носителями заряда в полупроводниках в валентной зоне.
Вырожденные зоны
Валентная зона в типичном проводнике является шестикратно вырожденной. Это без учета спин-орбитального взаимодействия и только когда квазиимпульс равен нулю. Она может расщепляться при этом же условии на двукратно и четырехкратно вырожденные зоны. Энергетическое расстояние между ними называется энергией спин-орбитального расщепления.
Примеси и дефекты в полупроводниках
Они могут быть электрически неактивными или активными. Использование первых позволяет получать в полупроводниках плюсовой или минусовой заряд, который может быть компенсирован появлением дыры в валентной зоне или электрона в проводимой зоне. Неактивные примеси являются нейтральными, и они относительно слабо влияют на электронные свойства. Причем часто может иметь значение то, какую валентность имеют атомы, которые берут участие в процессе передачи заряда, и строение
Зависимо от вида и количества примесей может меняться и соотношение между количеством дыр и электронов. Поэтому материалы полупроводников должны всегда тщательно подбираться, чтобы получить желаемый результат. Этому предшествует значительное количество расчетов, а в последующем и экспериментов. Частицы, которые большинство называют основными носителями заряда, являются неосновными.
Дозированное введение примесей в полупроводники позволяет получать устройства с требуемыми свойствами. Дефекты в полупроводниках также могут быть в неактивном либо активном электрическом состоянии. Важными здесь являются дислокация, межузельный атом и вакансия. Жидкие и некристаллические проводники реагируют на примеси по-другому, чем кристаллические. Отсутствие жесткой структуры в конечном итоге выливается в то, что перемещенный атом получает другую валентность. Она будет отличаться от той, с которой он первоначально насыщает свои связи. Атому становится невыгодно отдавать или присоединять электрон. В таком случае он становится неактивным, и поэтому примесные полупроводники имеют большие шансы на выход из строя. Это приводит к тому, что нельзя менять тип проводимости с помощью легирования и создать, к примеру, р-n-переход.
Некоторые аморфные полупроводники могут изменять свои электронные свойства под воздействием легирования. Но это относится к ним в значительно меньшей степени, чем к кристаллическим. Чувствительность аморфных элементов к легированию можно повысить с помощью технологической обработки. В конечном итоге хочется отметить, что благодаря длительной и упорной работе примесные полупроводники все же представлены целым рядом результатов с хорошими характеристиками.
Статистика электронов в полупроводнике
Когда существует то количество дыр и электронов определяется исключительно температурой, параметрами зонной структуры и концентрацией электрически активных примесей. Когда рассчитывается соотношение, то считается, что часть частиц будет находиться в зоне проводимости (на акцепторном или донорном уровне). Также принимается во внимание тот факт, что часть может уйти с валентной территории, и там образуются пропуски.
Электропроводность
В полупроводниках, кроме электронов, в качестве носителей зарядов могут выступить и ионы. Но их электропроводность в большинстве случае пренебрежительно мала. В качестве исключения можно привести только ионные суперпроводники. В полупроводниках действует три главных механизма электронного переноса:
- Основной зонный. В этом случает электрон приходит в движение благодаря изменению его энергии в пределах одной разрешенной территории.
- Прыжковый перенос по локализованным состояниям.
- Поляронный.
Экситон
Дыра и электрон могут образовывать связанное состояние. Оно называется экситоном Ванье-Мотта. При этом которая соответствует краю поглощения, понижается на размер величины связи. При достаточной в полупроводниках может образоваться значительное количество экситонов. При увеличении их концентрации происходит конденсация, и образовывается электронно-дырочная жидкость.
Поверхность полупроводника
Такими словами обозначают несколько атомных слоев, что расположены около границы устройства. Поверхностные свойства отличаются от объемных. Наличие данных слоев нарушает трансляционную симметрию кристалла. Это приводит к так называемым поверхностным состояниям и поляритонам. Развивая тему последних, следует ещё сообщить и про спиновые и колебательные волны. Из-за своей химической активности поверхность укрывается микроскопичным слоем сторонних молекул или атомов, которые были адсорбированы из окружающей среды. Они-то и определяют свойства тех нескольких атомных слоев. На счастье, создание технологии сверхвысокого вакуума, при котором создаются полупроводниковые элементы, позволяет получить и сохранить на протяжении нескольких часов чистую поверхность, что позитивно сказывается на качестве получаемой продукции.
Полупроводник. Температура влияет на сопротивление
Когда температура металлов возрастает, то растёт и их сопротивление. С полупроводниками всё наоборот - при таких же условиях этот параметр у них уменьшится. Дело тут в том, что электропроводность у любого материала (а данная характеристика обратно пропорциональна сопротивлению) зависит от того, какой заряд тока имеют носители, от скорости их передвижения в электрическом поле и от их численности в одной единице объема материала.
В полупроводниковых элементах при росте температуры возрастает концентрация частиц, благодаря этому увеличивается теплопроводность, и уменьшается сопротивление. Проверить это можно при наличии нехитрого набора юного физика и необходимого материала - кремния или германия, также можно взять и сделанный из них полупроводник. Повышение температуры снизит их сопротивление. Чтобы удостовериться в этом, необходимо запастись измерительными приборами, которые позволят увидеть все изменения. Это в общем случае. Давайте рассмотрим пару частных вариантов.
Сопротивление и электростатическая ионизация
Это связано с туннелированием электронов, проходящих через очень узкий барьер, который поставляет примерно одну сотую микрометра. Находится он между краями энергетических зон. Его появление возможно только при наклоне энергетических зон, который происходит только под влиянием сильного электрического поля. Когда происходит туннелирование (что являет собой квантовомеханический эффект), то электроны проходят через узкий потенциальный барьер, и при этом не меняется их энергия. Это влечёт за собой увеличение концентрации носителей заряда, причем в обеих зонах: и проводимости, и валентной. Если развивать процесс электростатической ионизации, то может возникнуть туннельный пробой полупроводника. Во время этого процесса поменяется сопротивление полупроводников. Оно является обратимым, и как только будет выключено электрической поле, то все процессы восстановятся.
Сопротивление и ударная ионизация
В данном случае дыры и электроны ускоряются, пока проходят длину свободного пробега под воздействием сильного электрического поля до значений, которые способствуют ионизации атомов и разрыва одной из ковалентных связей (основного атома или примеси). Ударная ионизация происходит лавинообразно, и в ней лавинообразно размножаются носители заряда. При этом только что созданные дыры и электроны ускоряются электрическим током. Значение тока в конечном результате умножается на коэффициент ударной ионизации, который равен числу электронно-дырочных пар, что образовываются носителем заряда на одном отрезке пути. Развитие данного процесса в конечном итоге приводит к лавинному пробою полупроводника. Сопротивление полупроводников также меняется, но, как и в случае с туннельным пробоем, обратимо.
Применение полупроводников на практике
Особенную важность этих элементов следует отметить в компьютерных технологиях. Почти не сомневаемся, что вас бы не интересовал вопрос о том, что такое полупроводники, если бы не желание самостоятельно собрать предмет с их использованием. Невозможно представить работу современных холодильников, телевизоров, компьютерных мониторов без полупроводников. Не обходятся без них и передовые автомобильные разработки. Также они применяются в авиа- и космической технике. Понимаете, что такое полупроводники, насколько они важны? Конечно, нельзя сказать, что это единственные незаменимые элементы для нашей цивилизации, но и недооценивать их тоже не стоит.
Применение полупроводников на практике обусловлено ещё и целым рядом факторов, среди которых и широкая распространённость материалов, из которых они изготавливаются, и легкость обработки и получения желаемого результата, и другие технические особенности, благодаря которым выбор ученых, разрабатывавших электронную технику, остановился на них.
Заключение
Мы подробно рассмотрели, что такое полупроводники, как они работают. В основе их сопротивления заложены сложные физико-химические процессы. И можем вас уведомить, что описанные в рамках статьи факты не дадут в полной мере понять, что такое полупроводники, по той простой причине, что даже наука не изучила особенности их работы до конца. Но нам известны их основные свойства и характеристики, которые и позволяют нам применять их на практике. Поэтому можно поискать материалы полупроводников и самому поэкспериментировать с ними, соблюдая осторожность. Кто знает, возможно, в вас дремлет великий исследователь?!
Темы кодификатора ЕГЭ : полупроводники, собственная и примесная проводимость полупроводников.
До сих пор, говоря о способности веществ проводить электрический ток, мы делили их на проводники и диэлектрики. Удельное сопротивление обычных проводников находится в интервале Ом·м; удельное сопротивление диэлектриков превышает эти величины в среднем на порядков: Ом·м.
Но существуют также вещества, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Это полупроводники : их удельное сопротивление при комнатной температуре может принимать значения в очень широком диапазоне Ом·м. К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, некоторые другие химические элементы и соединения (Полупроводники чрезвычайно распространены в природе. Например, около 80% массы земной коры приходится на вещества, являющиеся полупроводниками). Наиболее широко примененяются кремний и германий .
Главная особенность полупроводников заключается в том, что их электропроводность резко увеличивается с повышением температуры. Удельное сопротивление полупроводника убывает с ростом температуры примерно так, как показано на рис. 1 .
Рис. 1. Зависимость для полупроводника
Иными словами, при низкой температуре полупроводники ведут себя как диэлектрики, а при высокой - как достаточно хорошие проводники. В этом состоит отличие полупроводников от металлов: удельное сопротивление металла, как вы помните, линейно возрастает с увеличением температуры.
Между полупроводниками и металлами имеются и другие отличия. Так, освещение полупроводника вызывает уменьшение его сопротивления (а на сопротивление металла свет почти не оказывает влияния). Кроме того, электропроводность полупроводников может очень сильно меняться при введении даже ничтожного количества примесей.
Опыт показывает, что, как и в случае металлов, при протекании тока через полупроводник не происходит переноса вещества. Стало быть, электрический ток в полупроводниках обусловлен движением электронов.
Уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании говорит о том, что повышение температуры приводит к увеличению количества свободных зарядов в полупроводнике. В металлах ничего такого не происходит; следовательно, полупроводники обладают иным механизмом электропроводности, чем металлы. И причина этого - различная природа химической связи между атомами металлов и полупроводников.
Ковалентная связь
Металлическая связь, как вы помните, обеспечивается газом свободных электронов, который, подобно клею, удерживает положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Полупроводники устроены иначе - их атомы скрепляет ковалентная связь . Давайте вспомним, что это такое.
Электроны, находящиеся на внешнем электронном уровне и называемые валентными , слабее связаны с атомом, чем остальные электроны, которые расположены ближе к ядру. В процессе образования ковалентной связи два атома вносят «в общее дело» по одному своему валентному электрону. Эти два электрона обобществляются, то есть теперь принадлежат уже обоим атомам, и потому называются общей электронной парой (рис. 2 ).
Рис. 2. Ковалентная связь
Обобществлённая пара электронов как раз и удерживает атомы друг около друга (с помощью сил электрического притяжения). Ковалентная связь - это связь, существующая между атомами за счёт общих электронных пар . По этой причине ковалентная связь называется также парноэлектронной .
Кристаллическая структура кремния
Теперь мы готовы подробнее изучить внутреннее устройство полупроводников. В качестве примера рассмотрим самый распространённый в природе полупроводник - кремний. Аналогичное строение имеет и второй по важности полупроводник - германий.
Пространственная структура кремния представлена на рис. 3 (автор картинки - Ben Mills). Шариками изображены атомы кремния, а трубки, их соединяющие, - это каналы ковалентной связи между атомами.
Рис. 3. Кристаллическая структура кремния
Обратите внимание, что каждый атом кремния скреплён с четырьмя соседними атомами. Почему так получается?
Дело в том, что кремний четырёхвалентен - на внешней электронной оболочке атома кремния расположены четыре валентных электрона. Каждый из этих четырёх электронов готов образовать общую электронную пару с валентным электроном другого атома. Так и происходит! В результате атом кремния окружается четырьмя пристыковавшимися к нему атомами, каждый из которых вносит по одному валентному электрону. Соответственно, вокруг каждого атома оказывается по восемь электронов (четыре своих и четыре чужих).
Более подробно мы видим это на плоской схеме кристаллической решётки кремния (рис. 4 ).
Рис. 4. Кристаллическая решётка кремния
Ковалентные связи изображены парами линий, соединяющих атомы; на этих линиях находятся общие электронные пары. Каждый валентный электрон, расположенный на такой линии, большую часть времени проводит в пространстве между двумя соседними атомами.
Однако валентные электроны отнюдь не «привязаны намертво» к соответствующим парам атомов. Происходит перекрытие электронных оболочек всех соседних атомов, так что любой валентный электрон есть общее достояние всех атомов-соседей. От некоторого атома 1 такой электрон может перейти к соседнему с ним атому 2, затем - к соседнему с ним атому 3 и так далее. Валентные электроны могут перемещаться по всему пространству кристалла - они, как говорят, принадлежат всему кристаллу (а не какой-либо одной атомной паре).
Тем не менее, валентные электроны кремния не являются свободными (как это имеет место в металле). В полупроводнике связь валентных электронов с атомами гораздо прочнее, чем в металле; ковалентные связи кремния не разрываются при невысоких температурах. Энергии электронов оказывается недостаточно для того, чтобы под действием внешнего электрического поля начать упорядоченное движение от меньшего потенциала к большему. Поэтому при достаточно низких температурах полупроводники близки к диэлектрикам - они не проводят электрический ток.
Собственная проводимость
Если включить в электрическую цепь полупроводниковый элемент и начать его нагревать, то сила тока в цепи возрастает. Следовательно, сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры. Почему это происходит?
При повышении температуры тепловые колебания атомов кремния становятся интенсивнее, и энергия валентных электронов возрастает. У некоторых электронов энергия достигает значений, достаточных для разрыва ковалентных связей. Такие электроны покидают свои атомы и становятся свободными (или электронами проводимости ) - точно так же, как в металле. Во внешнем электрическом поле свободные электроны начинают упорядоченное движение, образуя электрический ток.
Чем выше температура кремния, тем больше энергия электронов, и тем большее количество ковалентных связей не выдерживает и рвётся. Число свободных электронов в кристалле кремния возрастает, что и приводит к уменьшению его сопротивления.
Разрыв ковалентных связей и появление свободных электронов показан на рис. 5 . На месте разорванной ковалентной связи образуется дырка - вакантное место для электрона. Дырка имеет положительный заряд, поскольку с уходом отрицательно заряженного электрона остаётся нескомпенсированный положительный заряд ядра атома кремния.
Рис. 5. Образование свободных электронов и дырок
Дырки не остаются на месте - они могут блуждать по кристаллу. Дело в том, что один из соседних валентных электронов, «путешествуя» между атомами, может перескочить на образовавшееся вакантное место, заполнив дырку; тогда дырка в этом месте исчезнет, но появится в том месте, откуда электрон пришёл.
При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок носит случайный характер, ибо валентные электроны блуждают между атомами хаотически. Однако в электрическом поле начинается направленное движение дырок. Почему? Понять это несложно.
На рис. 6 изображён полупроводник, помещённый в электрическое поле . В левой части рисунка - начальное положение дырки.
Рис. 6. Движение дырки в электрическом поле
Куда сместится дырка? Ясно, что наиболее вероятны перескоки «электрон > дырка» в направлении против линий поля (то есть к «плюсам», создающим поле). Один из таких перескоков показан в средней части рисунка: электрон прыгнул влево, заполнив вакансию, а дырка, соответственно, сместилась вправо. Следующий возможный скачок электрона, вызванный электрическим полем, изображён в правой части рисунка; в результате этого скачка дырка заняла новое место, расположенное ещё правее.
Мы видим, что дырка в целом перемещается по направлению линий поля - то есть туда, куда и полагается двигаться положительным зарядам. Подчеркнём ещё раз, что направленное движение дырки вдоль поля вызвано перескоками валентных электронов от атома к атому, происходящими преимущественно в направлении против поля.
Таким образом, в кристалле кремния имеется два типа носителей заряда: свободные электроны и дырки. При наложении внешнего электрического поля появляется электрический ток, вызванный их упорядоченным встречным движением: свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряжённости поля , а дырки - в направлении вектора .
Возникновение тока за счёт движения свободных электронов называется электронной проводимостью , или проводимостью n-типа . Процесс упорядоченного перемещения дырок называется дырочной проводимостью ,или проводимостью p-типа (от первых букв латинских слов negativus (отрицательный) и positivus (положительный)). Обе проводимости - электронная и дырочная - вместе называются собственной проводимостью полупроводника.
Каждый уход электрона с разорванной ковалентной связи порождает пару «свободный электрон–дырка». Поэтому концентрация свободных электронов в кристалле чистого кремния равна концентрации дырок. Соответственно, при нагревании кристалла увеличивается концентрация не только свободных электронов, но и дырок, что приводит к возрастанию собственной проводимости полупроводника за счёт увеличения как электронной, так и дырочной проводимости.
Наряду с образованием пар «свободный электрон–дырка» идёт и обратный процесс: рекомбинация свободных электронов и дырок. А именно, свободный электрон, встречаясь с дыркой, заполняет эту вакансию, восстанавливая разорванную ковалентную связь и превращаясь в валентный электрон. Таким образом, в полупроводнике устанавливается динамическое равновесие : среднее число разрывов ковалентных связей и образующихся электронно-дырочных пар в единицу времени равно среднему числу рекомбинирующих электронов и дырок. Это состояние динамического равновесия определяет равновесную концентрацию свободных электронов и дырок в полупроводнике при данных условиях.
Изменение внешних условий смещает состояние динамического равновесия в ту или иную сторону. Равновесное значение концентрации носителей заряда при этом, естественно, изменяется. Например, число свободных электронов и дырок возрастает при нагревании полупроводника или при его освещении.
При комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок в кремнии приблизительно равно см. Концентрация же атомов кремния - порядка см. Иными словами, на атомов кремния приходится лишь один свободный электрон! Это очень мало. В металлах, например, концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов. Соответственно, собственная проводимость кремния и других полупроводников при нормальных условиях мала по сравнению с проводимостью металлов .
Примесная проводимость
Важнейшей особенностью полупроводников является то, что их удельное сопротивление может быть уменьшено на несколько порядков в результате введения даже весьма незначительного количества примесей. Помимо собственной проводимости у полупроводника возникает доминирующая примесная проводимость
. Именно благодаря этому факту полупроводниковые приборы нашли столь широкое применение в науке и технике.
Предположим, например, что в расплав кремния добавлено немного пятивалентного мышьяка . После кристаллизации расплава оказывается, что атомы мышьяка занимают места в некоторых узлах сформировавшейся кристаллической решётки кремния.
На внешнем электронном уровне атома мышьяка имеется пять электронов. Четыре из них образуют ковалентные связи с ближайшими соседями - атомами кремния (рис. 7 ). Какова судьба пятого электрона, не занятого в этих связях?
Рис. 7. Полупроводник n-типа
А пятый электрон становится свободным! Дело в том, что энергия связи этого «лишнего» электрона с атомом мышьяка, расположенным в кристалле кремния, гораздо меньше энергии связи валентных электронов с атомами кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка в результате теплового движения остаются без пятого электрона, превращаясь в положительные ионы. А кристалл кремния, соответственно, наполняется свободными электронами, которые отцепились от атомов мышьяка.
Наполнение кристалла свободными электронами для нас не новость: мы видели это и выше, когда нагревался чистый кремний (без каких-либо примесей). Но сейчас ситуация принципиально иная: появление свободного электрона, ушедшего из атома мышьяка, не сопровождается появлением подвижной дырки . Почему? Причина та же - связь валентных электронов с атомами кремния гораздо прочнее, чем с атомом мышьяка на пятой вакансии, поэтому электроны соседних атомов кремния и не стремятся эту вакансию заполнить. Вакансия, таким образом, остаётся на месте, она как бы «приморожена» к атому мышьяка и не участвует в создании тока.
Таким образом, внедрение атомов пятивалентного мышьяка в кристаллическую решётку кремния создаёт электронную проводимость, но не приводит к симметричному появлению дырочной проводимости . Главная роль в создании тока теперь принадлежит свободным электронам, которые в данном случае называются основными носителями заряда.
Механизм собственной проводимости, разумеется, продолжает работать и при наличии примеси: ковалентные связи по-прежнему рвутся за счёт теплового движения, порождая свободные электроны и дырки. Но теперь дырок оказывается гораздо меньше, чем свободных электронов, которые в большом количестве предоставлены атомами мышьяка. Поэтому дырки в данном случае будут неосновными носителями заряда.
Примеси, атомы которых отдают свободные электроны без появления равного количества подвижных дырок, называются донорными . Например, пятивалентный мышьяк - донорная примесь. При наличии в полупроводнике донорной примеси основными носителями заряда являются свободные электроны, а неосновными - дырки; иными словами, концентрация свободных электронов намного превышает концентрацию дырок. Поэтому полупроводники с донорными примесями называются электронными полупроводниками , или полупроводниками n-типа (или просто n-полупроводниками ).
А насколько, интересно, концентрация свободных электронов может превышать концентрацию дырок в n-полупроводнике? Давайте проведём простой расчёт.
Предположим, что примесь составляет , то есть на тысячу атомов кремния приходится один атом мышьяка. Концентрация атомов кремния, как мы помним, порядка см.
Концентрация атомов мышьяка, соответственно, будет в тысячу раз меньше: см. Такой же окажется и концентрация свободных электронов, отданных примесью - ведь каждый атом мышьяка отдаёт по электрону. А теперь вспомним, что концентрация электронно-дырочных пар, появляющихся при разрывах ковалентных связей кремния, при комнатной температуре примерно равна см. Чувствуете разницу? Концентрация свободных электронов в данном случае больше концентрации дырок на порядков, то есть в миллиард раз! Соответственно, в миллиард раз уменьшается удельное сопротивление кремниевого полупроводника при введении столь небольшого количества примеси.
Приведённый расчёт показывает, что в полупроводниках n-типа основную роль действительно играет электронная проводимость. На фоне столь колоссального превосходства численности свободных электронов вклад движения дырок в общую проводимость пренебрежимо мал.
Можно, наоборот, создать полупроводник с преобладанием дырочной проводимости. Так получится, если в кристалл кремния внедрить трёхвалентную примесь - например, индий . Результат такого внедрения показан на рис. 8 .
Рис. 8. Полупроводник p-типа
Что происходит в этом случае? На внешнем электронном уровне атома индия расположены три электрона, которые формируют ковалентные связи с тремя окружающими атомами кремния. Для четвёртого соседнего атома кремния у атома индия уже не хватает электрона, и в этом месте возникает дырка.
И дырка эта не простая, а особенная - с весьма большой энергией связи. Когда в неё попадёт электрон из соседнего атома кремния, он в ней «застрянет навеки», ибо притяжение электрона к атому индия весьма велико - больше, чем к атомам кремния. Атом индия превратится в отрицательный ион, а в том месте, откуда электрон пришёл, возникнет дырка - но теперь уже обыкновенная подвижная дырка в виде разорванной ковалентной связи в кристаллической решётке кремния. Эта дырка обычным образом начнёт блуждать по кристаллу за счёт «эстафетной» передачи валентных электронов от одного атома кремния к другому.
И так, каждый примесный атом индия порождает дырку, но не приводит к симметричному появлению свободного электрона. Такие примеси, атомы которых захватывают «намертво» электроны и тем самым создают в кристалле подвижную дырку, называются акцепторными .
Трёхвалентный индий - пример акцепторной примеси.
Если в кристалл чистого кремния ввести акцепторную примесь, то число дырок, порождённых примесью, будет намного больше числа свободных электронов, возникших за счёт разрыва ковалентных связей между атомами кремния. Полупроводник с акцепторной примесью - это дырочный полупроводник , или полупроводник p-типа (или просто p-полупроводник ).
Дырки играют главную роль при создании тока в p-полупроводнике; дырки - основные носители заряда . Свободные электроны - неосновные носители заряда в p-полупроводнике. Движение свободных электронов в данном случае не вносит существенного вклада: электрический ток обеспечивается в первую очередь дырочной проводимостью.
p–n-переход
Место контакта двух полупроводников с различными типами проводимости (электронной и дырочной) называется электронно-дырочным переходом , или p–n-переходом . В области p–n-перехода возникает интересное и очень важное явление - односторонняя проводимость.
На рис. 9 изображён контакт областей p- и n-типа; цветные кружочки - это дырки и свободные электроны, которые являются основными (или неосновными) носителями заряда в соответствующих областях.
Рис. 9. Запирающий слой p–n-перехода
Совершая тепловое движение, носители заряда проникают через границу раздела областей.
Свободные электроны переходят из n-области в p-область и рекомбинируют там с дырками; дырки же диффундируют из p-области в n-область и рекомбинируют там с электронами.
В результате этих процессов в электронном полупроводнике около границы контакта остаётся нескомпенсированный заряд положительных ионов донорной примеси, а в дырочном полупроводнике (также вблизи границы) возникает нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Эти нескомпенсированные объёмные заряды образуют так называемый запирающий слой , внутреннее электрическое поле которого препятствует дальнейшей диффузии свободных электронов и дырок через границу контакта.
Подключим теперь к нашему полупроводниковому элементу источник тока, подав «плюс» источника на n-полупроводник, а «минус» - на p-полупроводник (рис. 10 ).
Рис. 10. Включение в обратном направлении: тока нет
Мы видим, что внешнее электрическое поле уводит основные носители заряда дальше от границы контакта. Ширина запирающего слоя увеличивается, его электрическое поле возрастает. Сопротивление запирающего слоя велико, и основные носители не в состоянии преодолеть p–n-переход. Электрическое поле позволяет переходить границу лишь неосновным носителям, однако ввиду очень малой концентрации неосновных носителей создаваемый ими ток пренебрежимо мал.
Рассмотренная схема называется включением p–n-перехода в обратном направлении . Электрического тока основных носителей нет; имеется лишь ничтожно малый ток неосновных носителей. В данном случае p–n-переход оказывается закрытым.
Теперь поменяем полярность подключения и подадим «плюс» на p-полупроводник, а «минус»-на n-полупроводник (рис. 11 ). Эта схема называется включением в прямом направлении .
Рис. 11. Включение в прямом направлении: ток идёт
В этом случае внешнее электрическое поле направлено против запирающего поля и открывает путь основным носителям через p–n-переход. Запирающий слой становится тоньше, его сопротивление уменьшается.
Происходит массовое перемещение свободных электронов из n-области в p-область, а дырки, в свою очередь, дружно устремляются из p-области в n-область.
В цепи возникает ток , вызванный движением основных носителей заряда (Теперь, правда, электрическое поле препятствует току неосновных носителей, но этот ничтожный фактор не оказывает заметного влияния на общую проводимость).
Односторонняя проводимость p–n-перехода используется в полупроводниковых диодах . Диодом называется устройство, проводящие ток в лишь одном направлении; в противоположном направлении ток через диод не проходит (диод, как говорят, закрыт). Схематическое изображение диода показано на рис. 12 .
Рис. 12. Диод
В данном случае диод открыт в направлении слева направо: заряды как бы текут вдоль стрелки (видите её на рисунке?). В направлении справа налево заряды словно упираются в стенку - диод закрыт.
