В чем сущность собственной проводимости. Полупроводники. Устройство и принцип действия полупроводникового диода. Собственная и примесная проводимость полупроводников

Полупроводниками являются твердые тела, которые при абсолютном нуле температур характеризуются полностью занятой электронами валентной зоной, отделенной от зоны проводимости сравнительно узкой (DW< 1эв) запрещенной зоной.

Различают собственные и примесные полупроводники. Собственными являются химически чистые полупроводники, а их проводимость называется собственной проводимостью.

Типичными, наиболее широко распространенными собственными полупроводниками являются химические элементы германий и кремний. Внешние оболочки их атомов содержат по 4 валентных электрона, которые связаны с валентными электронами соседних атомов ковалентными связями.

Упрощенная плоская схема расположения атомов в кристалле германия дана на рис. 3, где каждая черточка означает связь, осуществляемую одним электроном. В идеальном кристалле при нуле Кельвина такая структура ведет себя как диэлектрик, так как все валентные электроны участвуют в образовании связей, и, следовательно, не участвуют в проводимости.

При повышении температуры тепловые колебания решетки могут привести к разрыву некоторых валентных связей, в результате чего часть электронов отщепляется и они становятся свободными. В покинутом электроном месте возникает вакансия – дырка, заполнить которую могут электроны из соседней пары. В результате дырка, как и освободившийся электрон, будет перемещаться по кристаллу. Движение электронов проводимости и дырок в отсутствии электрического поля является хаотическим. Если же кристалл поместить в электрическое поле, то электроны начнут двигаться против поля, дырки – по полю, что приведет к собственной проводимости германия, обусловленной как электронами, так и дырками.

Согласно зонной теории, энергия DW, необходимая для перехода электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости, называется энергией активации (рис. 4).

Переход электронов из заполненной валентной зоны в свободную зону создает в валентной зоне вакантные состояния – дырки (отмечены кружками на рис. 4). Такая дырка ведёт себя подобно частице с элементарным положительным зарядом. Под действием внешнего электрического поля одновременно с перемещением электронов вверх по энергетическим уровням зоны проводимости происходит заполнение вакантных состояний в валентной зоне электронами с нижележащих уровней этой зоны, эквивалентное перемещение положительных дырок вниз.

Таким образом, в полупроводниках можно говорить об электронном и дырочном типах проводимости, хотя оба они являются следствием перемещения электронов.

Проводимость собственных полупроводников, обусловленная движением электронов, называется электронной проводимостью или проводимостью п– типа (от лат. negativus – отрицательный).

Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами – дырками, называется дырочной проводимостью или проводимостью р –типа (от лат. рositivus – положительный).

Таким образом, в собственных полупроводниках наблюдается два механизма проводимости – электронный и дырочный. При этом число электронов проводимости равно числу дырок в данном полупроводнике.

Проводимость химически чистых полупроводников, обусловленная наличием в них электронов и дырок, называется собственной проводимостью, а сами полупроводники – собственными полупроводниками.

С повышением температуры количество электронов, преодолевших за счет энергии теплового движения запрещенную зону, растет, соответственно увеличивается и число дырок. Следовательно, с ростом температуры собственная проводимость полупроводников увеличивается, а сопротивление уменьшается по экспоненциальному закону:

где - удельная проводимость, - некоторая константа, постоянная для данного полупроводника, - энергия активации, равная ширине запретной зоны и различная для разных полупроводников, k=1,38×10 -23 - постоянная Больцмана.

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры используется в высокоточных приборах для измерения температуры – термисторах. Термисторы широко применяются для измерения температуры газов и жидкостей, для быстрой сигнализации о перегреве отдельных частей агрегатов, недостаточной смазке и т. д.

Примесная проводимость полупроводников

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники – примесными полупроводниками.

Необходимо различать донорные и акцепторные примеси. Примеси, у которых валентных электронов на единицу больше, чем у атомов основного вещества, называются донорными.

Рассмотрим механизм донорной примесной проводимости на примере германия. При замещении атома германия атомом, валентность которого на единицу больше, например, пятивалентным атомом мышьяка , один из электронов атома мышьяка не может образовать ковалентной связи, он оказывается лишним и при тепловых колебаниях решетки может быть легко отщеплен от атома, т. е. стать свободным. При наложении электрического поля такие электроны начинают перемещаться по кристаллу, создавая электрический ток (рис. 5). С точки зрения зонной теории, рассмотренный процесс можно представить следующим образом. Введение донорной примеси искажает поле решетки и приводит к появлению дополнительных донорных уровней (рис. 6), которые располагаются в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. Эти уровни заняты донорными электронами. При температуре, близкой к абсолютному нулю, энергия теплового движения недостаточна для того, чтобы перевести донорные электроны в зону проводимости, и полупроводник ведет себя как изолятор. При повышении температуры, воздействии света и т. д. электроны переходят с донорных уровней в зону проводимости и, при наличии разности потенциалов, обеспечивают ток.

Проводимость полупроводника, обусловленная наличием в нём электронов донорной примеси, называется электронной, донорной или n -типа, а сам полупроводник – полупроводником n-типа .

Примесь, у атомов которой не хватает достаточного количества электронов, чтобы заместить все валентные связи в решетке основного вещества, называется акцепторной.

При введении в решетку германия примесного атома с тремя валентными электронами, например, бора В , для образования связей с четырьмя ближайшими соседними атомами германия у атома бора не хватает одного электрона, одна из связей остается неукомплектованной и четвертый электрон может быть захвачен от соседнего атома германия, где, соответственно, образуется дырка (рис. 7). Последовательное заполнение образующихся дырок электронами эквивалентно движению дырок в полупроводнике, т. е. дырки не остаются локализованными, а перемещаются в решетке германия как свободные положительные заряды.

При введении в полупроводник акцепторной примеси свободные примесные уровни располагаются в запрещенной зоне вблизи верхней границы валентной зоны (рис. 8). Под действием очень малой энергии теплового возбуждения атом примеси может отнять электрон у одного из своих ближайших соседей. Это означает, что часть электронов из валентной зоны уже при небольших температурах переходит на акцепторные уровни, а в валентной зоне появляются свободные дырки. В этом случае полупроводник приобретает дырочную проводимость или проводимость p -типа.

Для перехода с донорного уровня в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторный уровень (рис. 6, 8) требуется меньшая энергия, чем для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому при низких температурах основную роль играет примесная проводимость.

С ростом температуры в электронном полупроводнике, кроме свободных электронов, появляется некоторое количество свободных дырок, а в дырочном полупроводнике появляется некоторое количество свободных электронов. Носители заряда, число которых преобладает в кристалле, называются основными носителями; носители противоположного знака называются неосновными. В полупроводниках с донорной примесью основными носителями являются электроны, неосновными – дырки. В полупроводниках с акцепторной примесью основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны. Причиной появления неосновных носителей является собственная проводимость.

Введение в кристаллическую решетку полупроводников примесей приводит к появлению в них замечательных и ценных для практического использования свойств: резкого повышение электропроводности, фотопроводности, люминесценции и т. п. Полупроводники используются в электро- и радиотехнической аппаратуре (кристаллические диоды и триоды), служат выпрямителями (селеновые, купроксные). Из полупроводников изготовляют полупроводниковые сопротивления (термисторы, фотосопротивления), источники света (светодиоды, лазеры), источники э.д.с. (солнечные батареи) и др. Полупроводниковые приборы малогабаритны, что является их важным достоинством.

Принцип действия многих полупроводниковых приборов основан на работе р-n– перехода.

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Цель. Познакомить курсантов с процессом получения носителей зарядов в полупроводниках и методами управления их концентрацией и движением в электрических и магнитных полях .

План

1. Контактные и поверхностные явления в полупроводниках.

2. Внутренняя структура полупроводников.

3. Собственная и примесная проводимость полупроводников.

4. Температурная зависимость проводимости примесных полупроводников.

5. Формирование контакта полупроводник - полупроводник. Электронно- дырочный p-n- переход.

6. Свойства p-n- перехода при наличии приложенного внешнего напряжения.

7. Вольтамперная характеристика p-n- перехода, температурные и частотные свойства p-n- перехода.

8. Туннельный эффект. Переход Шоттки. Их свойства.

С точки зрения зонной теории, к полупроводникам относятся вещества, ширина запрещенной зоны которых не превосходит 3 эВ. Важнейшим свойством и признаком полупроводников является зависимость их от внешних условий: температуры, освещенности, давления, внешних полей и т.п. Характерная особенность полупроводников заключается в уменьшении их удельного сопротивления с увеличением температуры.

Наиболее широкое применение в полупроводниковой технике получили германий , кремний , селен , а также полупроводниковые соединения типа арсенид галлия, карбид кремния, сульфид кадмия и др.

Для полупроводников характерно кристаллические строение, т.е. закономерное и упорядоченное расположение их атомов в пространстве. В кристаллах связанные между собой атомы располагаются строго определенным образом и на одинаковых расстояниях друг от друга, в результате чего образуется своеобразная объемная решетка из атомов, которую принято называть кристаллической решеткой твердого тела .

Между атомами кристаллической решетки существуют связи. Они образуются валентными электронами, которые взаимодействуют не только с ядром своего атома, но и с соседними. В кристаллах германия, кремния связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами - по одному от каждого атома. Такая связь между атомами называется двухэлектронной или ковалентной.

Характерной особенностью ковалентных связей заключается в том, что при их образовании электроны связи принадлежат уже не одному, а сразу обоим, связанным между собою атомам, т.е. являются для них общими.

В результате внешняя орбита каждого из атомов имеет как бы по восемь электронов, и становиться полностью заполненной. Кристаллическая решетка, в которой каждый электрон внешней орбиты связан ковалентными связями с остальными атомами вещества, является идеальной. В таком кристалле все валентные электроны прочно связаны между собой и свободных электронов, которые могли бы участвовать в переносе зарядов, нет . Такую кристаллическую решетку имеют все химически чистые беспримесные полупроводники при температуре абсолютного нуля (- 273?С). В этих условиях полупроводники обладают свойствами идеальных изоляторов.

Собственная проводимость полупроводников

Под действием внешних факторов некоторые валентные электроны атомов кристаллической решетки приобретают энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей. Так, при температурах выше абсолютного нуля атомы твердого тела колеблются около узлов кристаллической решетки. Чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний. Время от времени энергия этих колебаний сообщается какому либо электрону, в результате чего его полная энергия оказывается достаточной для перехода из валентной зоны в зону проводимости.

При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает как бы свободное место, обладающее элементарным положительным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона. Такое освободившееся в электронной связи место условно назвали дыркой , а процесс образования пары электрон - дырка получил название генерации зарядов . Дырка обладает положительным зарядом, поэтому она может присоединить к себе электрон соседней заполненной ковалентной связи. В результате этого восстанавливается одна связь (этот процесс называют рекомбинацией ) и разрушается соседняя или, другими словами заполняется одна дырка и одновременно с этим возникает новая в другом месте. Такой генерационно-рекомбинационный процесс непрерывно повторяется, и дырка, переходя от одной связи к другой, будет перемещаться по кристаллу, что равносильно перемещению положительного заряда, равного по величине заряду электрона.

Различают несколько видов рекомбинации носителей в полупроводниках. В самом простом случае рекомбинация может рассматриваться как прямой переход электрона из зоны проводимости в валентную зону на имеющийся там свободный уровень (рис. 2.8, а). Разность энергии при этом выделяется в виде кванта электромагнитного излучения либо передается кристаллической решетке в виде механических колебаний.

Другой возможный путь рекомбинации связан с поэтапным переходом электрона через запрещенную зону: вначале электрон из зоны проводимости переходит на некоторый промежуточный уровень, расположенный внутри запрещенной зоны, а затем уже с этого уровня переходит в валентную зону (рис. 2.8, б). Промежуточный уровни, получившие название центров рекомбинации, или ловушек, могут появиться, если в кристаллической решетке имеются дефекты, обусловленные тепловым возбуждением атомов, наличием примесей, несовершенством поверхности полупроводника, воздействие на полупроводник частиц с большой энергией (β- лучей или α - частиц).

Наличие в полупроводнике центров рекомбинации позволяет резко уменьшить время жизни носителей зарядов, что необходимо для создания быстродействующих полупроводниковых приборов.

При отсутствии внешнего электрического поля электроны и дырки перемещаются в кристалле хаотически вследствие теплового движения. В этом случае ток в полупроводнике не возникает. Если же на кристалл действует электрическое поле, движение дырок и электронов становиться упорядоченным и в кристалле возникает электрический ток. Таким образом, проводимость полупроводника обусловлена перемещением, как свободных электронов, так и дырок.

В первом случае носители зарядов отрицательны (негативны ), во втором - положительны (позитивны ). Соответственно различают два вида проводимости полупроводников - электронную, или проводимость типа n (от слова negative - отрицательный), и дырочную , или проводимость типа p (от слова positive - положительный).

В химически чистом кристалле полупроводника число дырок всегда равно числу свободных электронов и электрический ток в нем образуется в результате одновременного переноса зарядов обоих знаков. Такая электронно-дырочная проводимость называется собственной проводимостью полупроводника . При этом ток в полупроводнике всегда равен сумме электронного и дырочного токов.

Различают собственные и примесные полупроводники. К числу собственных относятся чистые полупроводники (т.е полупроводники без примесей или с концентрацией примеси настолько малой, что она не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника). Проводимость таких чистых полупроводников называетсясобственной.

В примесных полупроводниках электрические свойства определяются примесями, вводимыми искусственно в очень малых количествах. Например, введение в кремний всего лишь 0,001% бора увеличивает его проводимость при комнатной температуре примерно в 1000 раз.

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью .

На рисунке 5а показаны энергетические зоны собственного полупроводника при T =0.

Валентная зона полностью заполнена электронами, зона проводимости полностью свободна. Уровень Ферми располагается по середине запрещённой зоны. При T =0 тепловое движение отсутствует, а электрическое поле не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости, поэтому собственные полупроводники ведут себя приT =0 как диэлектрики.

При температуре T > 0, часть электронов с верхних уровней валентной зоны переходит на нижние уровни проводимости за счёт энергии теплового движения (рис.5б). Если приложить внешнее электрическое поле, то электроны зоны проводимости будут перемещаться и создавать электрический ток. Электроны частично заполненной зоны проводимости являются отрицательными носителями заряда. Такая проводимость полупроводников называется электронной.

Рис.5. Энергетические диаграммы собственного полупроводника

а – при T =0; б – приT >0

Энергия, которую необходимо сообщить полупроводнику, чтобы электроны могли преодолеть запрещённую зону, называется энергией активации. После удаления части электронов с верхних уровней валентной зоны в ней образуются вакантные места, дырки, которые ведут себя во внешнем поле как частицы с положительным зарядом. Дырки являются положительными носителями заряда в полупроводниках. Во внешнем электрическом поле дырки движутся в сторону, противоположную электронам. Такого рода проводимость называется дырочной. Таким образом, у собственных полупроводников наблюдается двоякого рода проводимость: электронная и дырочная.

Процесс образования электронно-дырочных пар называется генерацией носителей.

Одновременно происходит обратный процесс, называемый рекомбинацией , когда электрон возвращается из зоны проводимости в валентную зону. При этом из проводимости кристалла исключаются два носителя зарядов: электрон и дырка.

В собственном полупроводнике при каждой температуре устанавливается равновесие между процессами генерации и рекомбинации, при котором концентрации электронов и дырок одинаковы.

4. Примесная проводимость полупроводников

Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы в узлах решётки полупроводников замещены атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов.

На рисунке 6 условно изображена решётка германия. Он имеет решётку типа решётки алмаза, в которой каждый атом окружён четырьмя ближайшими соседями, связанными с ним валентными связями.

Рис.6. Плоская модель решетки германия

Предположим, что часть атомов германия замещена атомами пятивалентного мышьяка (рис.7). Для установления связи с четырьмя ближайшими соседями атом мышьяка использует 4 валентных электрона (рис.7а). Пятый электрон в образовании связей не участвует. Он связан со своим атомом слабее. Энергия связи его составляет
=0,015 эВ. При сообщении электрону такой энергии он отрывается от атома и приобретает способность свободно перемещаться в решётке германия, превращаясь таким образом в электрон проводимости. На языке зонной теории этот процесс можно представить следующим образом. Между заполненной валентной зоной и зоной проводимости чистого германия располагается узкий энергетический уровень валентных электронов мышьяка (рис.8) непосредственно у дна зоны проводимости, отстоя от него на расстоянии
=0,015 эВ. Его называют примесным уровнем. При сообщении электронам примесного уровня энергии
=0,015 эВ они переходят в зону проводимости. Образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка, дырки при этом не образуются.

Примеси, являющиеся источниками электронов проводимости, называются донорами, а уровни этих примесей – донорными уровнями .

Предположим теперь, что в решетке германия часть атомов замещена атомами трёхвалентного индия (рис.9а).

Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома индия не хватает одного электрона. Его можно «заимствовать» у атома германия.

Расчёт показывает, что для этого требуется затрата энергии порядка 0,015 эВ. Разорванная связь (дырка) рис.9б не остаётся локализованной, а перемещается в решётке германия как свободный положительный заряд «+е». На рис.10 показаны энергетические зоны германия, содержащего примесь индия. Непосредственно у верхнего края заполненной валентной зоны на расстоянии
=0,015 эВ располагаются незаполненные энергетические уровни атомов индия. Близость этих уровней к заполненной валентной зоне приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни. Связываясь с атомами индия, они теряют способность перемещаться в решётке германия и в проводимости не участвуют (электроны захватываются примесью). Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей – акцепторными уровнями .

Рис.9. Атом индия в решётке германия а) замещение атома GeатомомIn б) образование дырки	Рис.10. Энергетическая диаграмма германия, содержащего акцепторную примесь (In)

Таким образом, в отличие от собственной проводимости, осуществляющейся одновременно электронами и дырками, примесная проводимость обусловлена в основном носителями одного знака: электронами в случае донорной проводимости и дырками, в случае акцепторной. Эти носители называются основными .

Кроме них полупроводник содержит неосновные носители заряда, обусловленные переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости; электронный полупроводник – дырки, дырочный полупроводник – электроны. Концентрация неосновных носителей, как правило, значительно ниже концентрации основных носителей.

1 Полупроводники

До сих пор, говоря о способности веществ проводить электрический ток, мы делили их на проводники и диэлектрики. Удельное сопротивление обычных проводников находится в интервале 10 −8 - 10 −6 Ом · м; удельное сопротивление диэлектриков превышает эти величины в среднем на 20 порядков: 10 10 - 10 16 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 10 −3 - 10 7 Ом · м. К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, некоторые другие химические элементы и соединения. Наиболее широко применяются кремний (Si) и германий (Ge).

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 ρ = ρ(т) для полупроводников

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.

Полупроводники чрезвычайно распространены в природе. Например, около 80% массы земной коры приходится на вещества, являющиеся полупроводниками.

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.

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. 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 решетка 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.

1.3 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 не скомпенсированный 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 E. 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 E , а дырки - в направлении вектора E.

Возникновение тока за счёт движения свободных электронов называется электронной проводимостью, или проводимостью n-типа. Процесс упорядоченного перемещения дырок называется дырочной проводимостью, или проводимостью p-типа34. 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 10 10 см−3 . Концентрация же атомов кремния - порядка 10 22 см−3 . Иными словами, на 10 12 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.

1.4 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 (As). 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 0,1 %, то есть на тысячу атомов кремния приходится один атом мышьяка. Концентрация атомов кремния, как мы помним, порядка 10 22 см−3 .

Концентрация атомов мышьяка, соответственно, будет в тысячу раз меньше: 10 19 см−3. 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 10 10 см−3 . Чувствуете разницу? Концентрация свободных электронов в данном случае больше концентрации дырок на 9 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 (In). 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.

Итак, 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.

Собственная проводимость полупроводников

В полупроводниках основная зона разделена с зоной возбужденных уровней конечным интервалом энергий ($\triangle E$). Основную зону полупроводника называют валентной зоной, зону возбужденных состояний -- зоной проводимости. При T=0 К валентная зона заполнена целиком, при этом зона проводимости свободна. Следовательно, вблизи абсолютного нуля полупроводники не проводят ток. Вообще говоря, диэлектрики и полупроводники отличаются с точки зрения зонной теории, только шириной запрещенной зоны ($\triangle E$). Условно к диэлектрикам относят полупроводники у которых $\triangle E>2эВ.$

Примечание 1

У полупроводников с повышением температуры электроны обмениваются энергией с ионами кристаллической решетки. Из-за этого электрон может обрести добавочную кинетическую энергию размера $\approx kT.\ $Этой энергии может хватить для того, чтобы некоторую часть электронов перевести в зону проводимости. Эти электроны в зоне проводимости проводят ток.

В валентной зоне освобождаются квантовые состояния, которые не заняты электронами. Такие состояния получили названия дырок. Дырки являются носителями тока. Электроны могут рекомбинировать с дырками (совершать квантовые переходы в незаполненные состояния, то есть дырки). Прежние заполненные состояния в этом случае освобождаются, то есть становятся дырками. Последние рекомбинируют с новыми электронами, вновь образуются дырки. В результате этих процессов устанавливается равновесная концентрация дырок, эта концентрация одинакова по всему объему проводника, если нет внешнего поля. Квантовый переход электрона сопровождается его перемещением против поля. Он уменьшает потенциальную энергию системы. Переход, связанный с перемещение в направлении поля увеличивает потенциальную энергию системы. Переходы против поля преобладают над переходами по полю, что значит, через полупроводник начнет течь ток в направлении приложенного электрического поля. В незамкнутом полупроводнике ток будет течь, пока электрическое поле не будет компенсировать внешнее поле. Конечный результат явления такой же, как если бы носителями тока были не электроны, а положительно заряженные дырки. Следовательно, различают электронную и дырочную проводимость полупроводников.

Истинными носителями тока в металлах и полупроводниках реальны электроны, дырки введены формально. Дырок, как реально существующих положительно заряженных частиц не существует. Однако, оказалось, что в электрическом поле дырки перемещаются так, как двигались бы при классическом рассмотрении положительно заряженные частицы. Из-за небольшой концентрации электронов в зоне проводимости, дырок в валентной зоне можно применять классическую статистику Больцмана.

Примечание 2

Проводимость полупроводников, и электронная, и дырочная не связана с наличием примесей. Она называется собственной электропроводностью полупроводников.

В идеально чистом полупроводнике без всяких примесей каждому освобожденному тепловым движением или светом электрону соответствовало бы образование одной дырки, то есть количество электронов и дырок, которые участвуют в создании тока, было бы одинаково.

Идеально чистые полупроводники в природе не существуют, изготовить из искусственно крайне сложно. Малые следы примесей качественным образом изменяют свойства полупроводников.

Примесная проводимость полупроводников

Электрическая проводимость полупроводников, которая вызвана наличием примесей атомов других химических элементов, называется примесной электрической проводимостью. Самые небольшие количества примесей могу существенно увеличивать проводимость полупроводников. В металлах, наблюдается обратное явление. Примеси всегда уменьшают проводимость металлов.

Увеличение проводимости при наличии примесей объясняют тем, что в полупроводниках появляются дополнительные энергетические уровни, которые находятся в запрещенной зоне полупроводника.

Донорные примеси

Пусть дополнительные уровни в запрещенной зоне появились около нижнего края зоны проводимости. В том случае, если интервал энергии, который отделяет дополнительные уровни энергии от зоны проводимости, мал в сравнении с шириной запрещенной зоны, то число электронов в зоне проводимости, следовательно, сама проводимость полупроводника увеличится. Примеси, которые поставляют электроны в зону проводимости, называют донорами (донорными примесями). Дополнительные энергоуровни, при этом, называют донорными уровнями.

Полупроводники, имеющие донорные примеси называют электронными (полупроводниками n-типа).

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?

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?

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.