Меню сайта

11 класс

§ 14. Электрический ток в полупроводниках

Строение полупроводников.

Главное отличие полупроводников от проводников состоит в характере зависимости их электропроводности от температуры. Исследования показывают, что у ряда элементов (кремний, германий, селен и др.) и соединений (PbS, CdS и др.) удельное сопротивление с увеличением температуры не растёт, как у металлов (см. рис. 1.10), а, наоборот, уменьшается (рис. 2.40).

Из графика видно, что при температурах, близких к абсолютному нулю, удельное сопротивление полупроводников очень велико, т. е. при очень низких температурах полупроводник ведёт себя как диэлектрик. По мере повышения температуры удельное сопротивление полупроводника быстро уменьшается.

Рассмотрим механизм возникновения проводимости в полупроводниках на примере кристалла германия. Кристаллы германия и других полупроводников имеют атомную (ковалентную) кристаллическую решётку. Плоская схема структуры кристалла германия изображена на рисунке 2.41.

Четыре валентных электрона каждого атома германия связаны с такими же электронами соседних атомов химическими парноэлектронными (ковалентными) связями.

В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляются от атомов и при своём движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы германия друг возле друга. Каждый атом образует четыре связи с соседними, а данный валентный электрон может двигаться по любой из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла. Парноэлектронные связи германия достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому германий при низкой температуре не проводит электрический ток. Аналогичное строение имеет и кристалл кремния.

Собственная проводимость полупроводников.

При нагревании германия энергия валентных электронов увеличивается за счёт энергии тепловых колебаний атомов решётки. При этом энергия некоторых электронов может увеличиться настолько, что связи не выдерживают и рвутся. В результате отдельные электроны становятся свободными, подобно электронам в металлах. В отсутствие внешнего электрического поля эти электроны движутся хаотически. Под действием этого поля они перемещаются упорядоченно между узлами кристаллической решётки (рис. 2.42), образуя электрический ток.

Проводимость полупроводников, обусловленная наличием у них свободных электронов, называется электронной проводимостью.

При повышении температуры число разорванных ковалентных связей, а следовательно, и число свободных электронов в кристаллах увеличиваются. Это и приводит к уменьшению удельного сопротивления.

Образование свободного электрона влечёт за собой появление свободного (вакантного) места — электронной дырки — в нарушенной ковалентной связи. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями (см. рис. 2.42). Положение дырки в кристалле не является неизменным. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь, а там, откуда перескочил электрон, образуется новая дырка. Эту дырку может занять какой-либо другой электрон. Таким образом, благодаря перемещению электронов связи происходит перемещение дырок по всему кристаллу.

При отсутствии внешнего электрического ноля перемещение дырок, равноценное перемещению зарядов, происходит хаотически и поэтому не создаёт электрического тока. Под действием этого поля происходит упорядоченное перемещение дырок в направлении линий напряжённости поля, т. е. в направлении, противоположном перемещению электронов связи. Рассмотренный процесс называется дырочной проводимостью.

Таким образом, в чистых (без примесей) полупроводниках возможна электронная проводимость, обусловленная движением свободных электронов (проводимость n-типа ¹), и дырочная, обусловленная движением дырок (проводимость р-типа ²). Такого рода проводимость называют собственной проводимостью полупроводников.

---

¹ От лат. negativus - отрицательный.

² От лат. positivus - положительный.

Примесная проводимость полупроводников.

Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало́ число свободных электронов. Например, в германии при комнатной температуре n_е = 3 ∙ 10¹³ см^-3. В то же время число атомов германия в 1 см³ порядка 10²³. Таким образом, число свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов.

Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная — примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменить число носителей заряда того или иного знака в полупроводнике.

Если при выращивании монокристалла германия в расплав добавить небольшое количество мышьяка или сурьмы, то при кристаллизации атомы примеси вытесняют отдельные атомы германия из их мест в кристаллической решётке (рис. 2.43). Мышьяк (и сурьма) имеют по пять валентных электронов. Поэтому атомы примеси, образовав ковалентные связи с четырьмя ближайшими атомами германия и использовав для этого четыре валентных электрона, будут иметь по одному лишнему электрону, слабо связанному с атомным ядром. Вследствие теплового движения практически все лишние электроны атомов примеси оказываются свободными (см. рис. 2.43).

При добавлении всего одной десятимиллионной доли атомов мышьяка концентрация свободных электронов становится равной 10¹⁶ см^-3! Это в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике. Примеси, легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными. При наличии электрического поля свободные электроны приходят в упорядоченное движение в кристалле полупроводника, и в нём возникает электронная примесная проводимость. Полупроводники с такой проводимостью называют электронными или полупроводниками n-типа. Поскольку в полупроводнике n-типа число электронов значительно больше числа дырок, то электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.

Если при выращивании монокристалла германия в расплав добавить некоторое количество трёхвалентных атомов, например индия или галлия, то при образовании кристалла атомы примеси вытеснят из своих мест отдельные атомы германия. При замещении в кристаллической решётке атома германия атомом примеси, имеющим три валентных электрона, три связи атома примеси с атомами германия окажутся заполненными, а одна связь четвёртого атома германия (соседа атома примеси) — незаполненной. Следовательно, в решётке образуется дырка (рис. 2.44). Каждый атом трёхвалентной примеси образует в кристалле полупроводника одну дырку. Такого рода примеси называют акцепторными.

Под действием внешнего электрического поля дырки перемещаются в направлении вектора напряжённости поля, и в полупроводнике возникает дырочная примесная проводимость. Полупроводники с преобладанием дырочной проводимости над электронной называют полупроводниками p-типа. В них основными носителями заряда являются дырки, а неосновными — электроны.

Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные, и акцепторные примеси, то характер проводимости полупроводника определяется примесью с более высокой концентрацией носителей заряда — электронов или дырок.

Электронно-дырочный переход.

При контакте двух полупроводников с различными тинами проводимости вследствие теплового движения происходит взаимная диффузия носителей заряда через границу соприкосновения (контакт) полупроводников. Электроны из n-области, где они являются основными носителями заряда, переходят в p-область, где их концентрация значительно меньше. Точно так же дырки переходят из p-области в n-область. Поэтому n-область вблизи границы раздела оказывается заряженной положительно, а р-область — отрицательно (рис. 2.45).

Диффузия прекращается после того, как электрическое поле (его напряжённость ), возникающее в области перехода, начинает препятствовать дальнейшему перемещению электронов и дырок.

Включим полупроводник с р—n•переходом в электрическую цепь так, чтобы потенциал n-области был отрицательным, а р-области — положительным. При этом ток через р—n•переход осуществляется основными носителями: из области n в область p — электронами, а из области р в область n — дырками (рис. 2.46, а). Вследствие этого проводимость всего образца велика, а сопротивление мало. В этом случае вектор напряжённости _в внешнего электрического поля, создаваемого источником тока, направлен против вектора напряжённости запирающего поля.

Переключим полюсы батареи. Тогда при той же разности потенциалов сила тока в цепи окажется значительно меньше, чем при прямом переходе. Электроны через контакт идут теперь из области p в область n, а дырки — из области n в область p. Но ведь в полупроводнике p-типа мало свободных электронов, а в полупроводнике n-типа мало дырок. Вектор напряжённости _в направлен так же, как и вектор . Переход через контакт осуществляется неосновными носителями, число которых мало (рис. 2.46, б). Вследствие этого проводимость образца оказывается незначительной, а сопротивление — большим.

Таким образом, р—n•переход обладает односторонней проводимостью. Электронно-дырочные переходы полупроводников широко применяют в современных полупроводниковых приборах.

Вопросы:

1. Как зависит удельное сопротивление полупроводника от температуры?

2. Охарактеризуйте строение полупроводника на примере кристалла германия.

3. Какую проводимость полупроводников называют:

а) электронной;

б) дырочной?

4. Какими заряженными частицами обусловлена собственная проводимость полупроводника?

5. Какую проводимость полупроводника называют примесной?

6. Какой особенностью обладает р—n•переход?

Вопросы для обсуждения:

1. Какого типа (электронная или дырочная) будет проводимость германия, если к нему добавить в небольших количествах:

а) фосфор;

б) цинк;

в) галлий;

г) сурьму?

2. В полупроводнике л типа концентрация свободных электронов значительно превосходит концентрацию дырок. Означает ли это, что полупроводник п типа заряжен отрицательно?