Собственная и примесная проводимости полупроводников. Собственная проводимость полупроводников Как образуется собственная проводимость полупроводников
Сегодня мы расскажем, что такое собственная и примесная проводимость полупроводников, как она возникает и какую роль играет в современной жизни.
Атом и зонная теория
В начале двадцатого века ученые выяснили, что атом - это не самая маленькая частица вещества. Он имеет свою сложную структуру, а его элементы взаимодействуют по особенным законам.
К примеру, выяснилось, что электроны могут находиться только на определенных расстояниях до ядра - орбиталях. Переходы между этими состояниями происходят рывком с выделением или поглощением кванта электромагнитного поля. Чтобы объяснить механизм собственной и примесной проводимости полупроводников, надо сначала разобраться со строением атома.
Размеры и формы орбиталей определяются волновыми свойствами электрона. Как и волна, эта частица имеет период, и когда вращается вокруг ядра, он «накладывается» сам на себя. Только там, где волна не подавляет собственную энергию, электрон может существовать длительное время. Отсюда вытекает следствие: чем дальше от ядра находится уровень, тем меньше расстояние между этой и предыдущей орбиталью.
Решетка в твердом теле
Собственную и примесную проводимость полупроводников физика объясняет «коллективом» одинаковых орбиталей, который возникает в твердом теле. Под твердым телом подразумевается не агрегатное состояние, а совершенно конкретный термин. Так называется вещество с кристаллическим строением или аморфное тело, которое потенциально может быть кристаллическим. Например, лед и мрамор - это твердое тело, а дерево и глина - нет.
В кристалле существует очень много похожих атомов, и вокруг каждого вращаются одинаковые электроны на тех же орбиталях. И здесь есть небольшая проблема. Электрон относится к классу фермионов. Это значит, что двух частиц в совершенно одинаковых состояниях быть не может. И что делать в этом случае твердому телу?
Природа нашла потрясающий по простоте выход: все электроны, которые принадлежат одной орбитали одного атома в кристалле, чуть-чуть отличаются по энергии. Разница эта невероятно маленькая, и все орбитали как бы «спрессовываются» в одну непрерывную энергетическую зону. Между зонами лежат большие провалы - такие места, где электроны не могут находиться. Эти пробелы называются «запрещенными».
Чем полупроводник отличается от проводника и диэлектрика?
Среди всех зон одного твердого тела выделяются две. В одной (самой верхней) электроны могут свободно двигаться, они не «привязаны» к своим атомам и переходят с места на место. Это называется зоной проводимости. В металлах такая область напрямую соприкасается со всеми остальными, и чтобы возбудить электроны, не требуется затрачивать большую энергию.
Но у других веществ все иначе: электроны располагаются в валентной зоне. Там они связаны со своими атомами и не могут просто так покинуть их. Валентная зона отделяется от зоны проводимости «провалом». Чтобы электроны могли преодолеть запрещенную зону, веществу надо сообщить определенную энергию. Диэлектрики отличаются от полупроводников только размером «провала». У первых он больше, чем 3 эВ. Но в среднем у полупроводников ширина запрещенной зоны составляет от 1 до 2 эВ. Если разрыв больше, то вещество называется широкозонным полупроводником и используется с осторожностью.
Виды проводимости полупроводников
Чтобы понять, каковы особенности собственной и примесной проводимости полупроводников, надо сначала узнать, какие бывают ее виды.
Мы уже рассказали, что полупроводник - это кристалл. Значит, его решетка состоит из периодических одинаковых элементов. И его электроны надо «забросить» в зону проводимости, чтобы по веществу потек ток. Если по объему кристалла движутся именно электроны - это электронная проводимость. Она обозначается как n-проводимость (от первой буквы английского слова negative, то есть «отрицательный»). Но бывает и иной тип.
Представьте, что в некой периодической системе один элемент отсутствует. Например, лежат в корзине теннисные мячики. Они расположены ровными одинаковыми слоями: в каждом равное количество шаров. Если один мяч вынуть, в конструкции образуется пустота, дыра. Все окружающие шары постараются заполнить пробел: один элемент из верхнего слоя ляжет на место недостающего. И так далее, пока не установится равновесие. Но при этом и дыра будет тоже двигаться - в противоположном направлении, вверх. И если первоначально поверхность шаров в корзине была ровной, то после перемещений в верхнем ряду образуется дырка на месте одного недостающего мяча.
Так же и с электронами в полупроводниках: если электроны движутся к положительному полюсу напряжения, то оставшиеся на их месте пустоты движутся к отрицательному полюсу. Эти противоположные квазичастицы называются «дырки», и они имеют положительный заряд.
Если в полупроводнике преобладают дырки, то механизм называется p-проводимостью (от первой буквы английского слова positive, то есть «положительный»).
Примесь: случайность или стремление?
Когда человек слышит слово «примесь», то чаще всего подразумевается что-то нежелательное. Например, «примесь токсических веществ в воде», «примесь горечи в радости триумфа». Но примесь - это еще и что-то маленькое, незначительное.
В данное слово имеет скорее второй смысл, чем первый. Чтобы усилить один из типов проводимости, в кристалл можно ввести атом, который отдаст электроны (донор), либо заберет их (акцептор). Порой требуется незначительное количество чужеродного вещества, чтобы увеличить какой-то вид тока.
Таким образом, собственная и примесная проводимость полупроводников - это похожие явления. Добавка только усиливает уже существующее качество кристалла.
Применение легированных полупроводников
Вид проводимости для кристаллов важен, но на практике используют их комбинацию.
В месте соединения полупроводников n- и p-типа создается прослойка из положительных и отрицательных частиц. Если ток подключить правильно, то заряды скомпенсируют друг друга, и в цепи пойдет электричество. Если полюса подключить в обратном направлении, то разнозаряженные частицы «запрут» друг друга на своей половине, и в системе тока не будет.
Таким образом, маленький кусочек легированного кремния способен стать диодом для выпрямления электрического тока.
Как мы показали выше, ключевую роль играет в полупроводнике собственная и примесная проводимость. Полупроводниковые приборы стали намного меньше в размерах, чем ламповые устройства. Этот технологический прорыв позволил совершить многое из того, что ученые предсказали теоретически, но нельзя было до поры до времени осуществить на практике из-за больших размеров оборудования.
Кремний и космос
Полет в космос стал одной из важнейших возможностей, доступных благодаря полупроводникам. До шестидесятых годов двадцатого века это было неосуществимо по той простой причине, что управление ракеты содержалось в невероятно тяжелых и хрупких ламповых приборах. Ни один способ не мог поднять такую махину без вибраций и нагрузок. А открытие кремниевой и германиевой проводимости дало возможность уменьшить вес управляющих элементов и сделать их более цельными и прочными.
Полупроводники́ - материалы, по своей удельной проводимости занимающие промежуточное место между проводниками и диэлектриками. В природе они существуют в виде элементов(4,5,6 групп), например, Si, Ge, As, Se, и химических соединений сульфидов, оксидов и т.д.
Различают собственные (чистые) и примесные полупроводники.
При нагревании до температуры Т >0 К, а также освещении или облучении электронные (ковалентные) связи могут разрываться что приводит к образованию свободных электронов.В месте разрыва ковалентной связи возникает вакантное для электрона место - дырка, которая соответствует положительному заряду. Дырку могут занять либо электроны соседних ковалентных связей, либо свободный электрон. Вследствие этого она начинает перемещаться по кристаллу. С увеличением температуры возрастает число свободных электронов (больше разрывается связей) и соответственно дырок.
При создании в таком полупроводнике электрического поля включением его в электрическую проводящую цепь возникнет направленное перемещение электронов и дырок, то есть пойдет электрический ток.
Таким образом, в чистых полупроводниках при обычных условиях всегда есть равное число свободных электронов и дырок, которые и обусловливают собственную электропроводность полупроводника. Собственная проводимость - проводимость собственных(чистых) полупроводников(Ge, Se, GaAs).
С точки зрения квантовой (зонной) теории полупроводники имеют, кроме валентной зоны (I) и зоны проводимости (3). запрещенную зону (2), значения энергии которой электроны иметь не могут.
При T = 0 К валентная зона полностью заполнена электронами и, ширина запрещенной зоны, невелика, энергетические уровни зоны проводимости свободны. Если электроны получают энергию при нагревании полупроводника или энергию электромагнитного поля, при облучении светом или радиоактивными излучениями, то электроны способны перейти в зону проводимости (рис 3) становясь свободными. При этом в валентной зоне возникают дырки Полупроводник способен проводить ток, носителями которою будут электроны и дырки. Противоречий между классическими представлениями и квантовыми нет.
Итак, ток собственной проводимости полупроводника складывается из тока электронов и дырок.
Примесная проводимость полупроводников
В зависимости от природы примеси примесная проводимость может быть двух типов: n-типа - электронная, р-типа - дырочная. Проводимость n-типа образуется в случае, когда к основному полупроводнику (например, кремнию) прибавляется небольшое количество примеси, имеющей большую валентность (например, мышьяк). Тогда при построении кристаллической решетки у атома примеси будет лишний электрон. К электронам собственной проводимости добавятся электроны примеси. Но этой причине концентрация электронов будет значительно больше, чем дырок. Основными носителями тока будут электроны (их много), а неосновными - дырки (их мало). Такая проводимость примесного полупроводника получила название n-типа (электронная), так как примесь является донором (поставщиком) электронов. В случае, когда примесь имеет меньшую валентность, чем основной полупроводник (например, кремний Si) с бором B , то при построении решетки у атомов бора не будет хватать одного электрона. Появится незаполненная связь дырка. В примесном полупроводнике концентрация дырок будет значительно больше, чем электронов. Такой тип примесной проводимости назвали p-типом (дырочная) , так как примесь является собирателем (акцептором) электронов. Наличие даже небольшого количества примеси увеличивает проводимость полупроводника в миллионы раз, поэтому ток в примесном полупроводнике образуется в основном либо электронами, либо дырками.
Квантовая теория объясняет образование примесных полупроводников различными положениями энергетических уровней доноров и акцепторов (примесей) по отношению к валентной зоне (1) проводимости (3) в кристалле полупроводника. Энергетические уровни донора близки к уровням зоны проводимости. Электроны легко переходят в неё, не образуя в валентной зоне дырок. Основными носителями будут электроны(n-тип). Энергетические уровни акцептора лежат, ближе к валентной зоне, поэтому электронам валентной зоны легко перейти из нее, образуя в ней дырки. Основными носителями будут дырки (проводимость р-типа).
Полупровдниковые диоды
В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. При контакте двух полупроводников n- и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 1.14.1). Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p- и n-областями запирающее напряжение U з
n–p-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.
Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p- и n- типов
Если полупроводник с n–p-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от n–p-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через n–p-переход практически не идет. Напряжение, поданное на n–p-переход в этом случае называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-области и дырок в n-области.
Если n–p-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать n–p-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через n–p-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.
Способность n–p-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами . Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.
Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный.
Электропроводность п-р -перехода сильно зависит от температуры, поэтому обратный ток с повышением температуры увеличивается:
Таким образом, n-p переход обладает односторонней электропроводностью. Это его основное свойство, которое положено в основу устройства и принципа действия полупроводниковою диода.
Диод представляет собой электронно-дырочный переход, защищенный от действия света и электромагнитных излучений металлическим кожухом и имеющий радиатор для температурной стабилизации.
Плюсы: высокий кпд(98%), длительный срок службы, прочность.
Минусы: зависимость от температуры.
Собственная проводимость полупроводников - это электропроводность идеально чистого материала. В идеальном полупроводниковом кристалле электрический ток создается движением равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Такой тип проводимости называется собственной проводимостью полупроводника. Электропроводность чистого полупроводника будет тем большей, чем больше концентрация свободных носителей электрического заряда - электронов и дырок - n i , которая сильно зависит от температуры. Это является причиной температурной зависимости электропроводности чистых полупроводников.
Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей, которые разделяются на два типа: донорные и акцепторные. Ничтожного количества примеси в чистый полупроводник достаточно для изменения его электропроводности на несколько порядков. Это обусловлено тем, что примесные атомы в составе кристаллической решетки полупроводника могут либо поставлять в нее электроны проводимости, либо поглощать валентные электроны полупроводника, увеличивая тем самым концентрацию дырок.
Примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения такого же числа дырок, называются донорными. Полупроводниковые материалы, в которых электроны служат основными носителями заряда, а дырки не основными, называются электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа. Примеси, захватывающие валентные электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными. Полупроводники, в которых концентрация дырок значительно превышает концентрацию электронов проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа. Для примесных полупроводников справедлива т.н. "формула полупроводника":
где n и p - соответственно концентрации свободных электронов и дырок, n i - концентрация свободных носителей чистого полупроводника. Таким образом, увеличение за счет донорной примеси концентрации свободных электронов будет приводить к уменьшению концентрации дырок, а увеличение концентрации дырок, путем введения акцепторной примеси, - к уменьшению концентрации свободных электронов. Это обстоятельство позволяет изменять тип электропроводности полупроводника, подавляя имеющуюся примесь большим количеством противоположной, что широко используется при создании полупроводниковых приборов. Возможности изменения типа электропроводности, однако, ограничены предельными концентрациями растворимости примесей в полупроводнике.
Собственные и примесные полупроводники
Собственными полупроводниками или полупроводниками типа i (от английского intrinsic - собственный) называются чистые полупроводники, не содержащие примесей. Примесными полупроводниками называются полупроводники, содержащие примеси, валентность которых отличается от валентности основных атомов. Они подразделяются на: электронные и дырочные.
2.1.4.1 Собственный полупроводник
Собственные полупроводники имеют кристаллическую структуру, характеризующуюся периодическим расположением атомов в узлах пространственной кристаллической решетки.
В такой решетке каждый атом взаимно связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями (рис. 2.1), в результате которых происходит обобществление валентных электронов и образование устойчивых электронных оболочек, состоящих из восьми электронов. При температуре абсолютного нуля (T=0° K) все валентные электроны находятся в ковалентных связях, следовательно, свободные носители заряда отсутствуют, и полупроводник подобен диэлектрику. При повышении температуры или при облучении полупроводника лучистой энергией валентный электрон может выйти из ковалентной связи и стать свободным носителем электрического заряда (рис. 2.2). При этом ковалентная связь становится дефектной, в ней образуется свободное (вакантное) место, которое может занять один из валентных электронов соседней связи, в результате чего вакантное место переместится к другой паре атомов. Перемещение вакантного места внутри кристаллической решетки можно рассматривать как перемещение некоторого фиктивного (виртуального) положительного заряда, величина которого равна заряду электрона. Такой положительный заряд принято называть дыркой.
Процесс возникновения свободных электронов и дырок, обусловленный разрывом ковалентных связей, называется генерацией носителей заряда. Его характеризуют скоростью генерации G, определяющей количество пар носителей заряда, возникающих в единицу времени в единице объема. Скорость генерации тем больше, чем выше температура и чем меньше энергия, затрачиваемая на разрыв ковалентных связей. Возникшие в результате генерации электроны и дырки, находясь в состоянии хаотического теплового движения, спустя некоторое время, среднее значение которого называется временем жизни носителей заряда, встречаются друг с другом, в результате чего происходит восстановление ковалентных связей. Этот процесс называется рекомбинацией носителей заряда и характеризуется скоростью рекомбинации R, которая определяет количество пар носителей заряда, исчезающих в единицу времени в единице объема. Произведение скорости генерации на время жизни носителей заряда определяет их концентрацию, то есть количество электронов и дырок в единице объема. При неизменной температуре генерационно-рекомбинационные процессы находятся в динамическом равновесии, то есть в единицу времени рождается и исчезает одинаковое количество носителей заряда (R=G). Это условие называется законом равновесия масс. Состояние полупроводника, когда R=G, называется равновесным; в этом состоянии в собственном полупроводнике устанавливаются равновесные концентрации электронов и дырок, обозначаемые n i и p i . Поскольку электроны и дырки генерируются парами, то выполняется условие: n i =p i. При этом полупроводник остается электрически нейтральным, т.к. суммарный отрицательный заряд электронов компенсируется суммарным положительным зарядом дырок. Это условие называется законом нейтральности заряда. При комнатной температуре в кремнии n i =p i =1,4·10 10 см 3 , а в германии n i =p i =2,5·10 13 см 3 . Различие в концентрациях объясняется тем, что для разрыва ковалентных связей в кремнии требуются большие затраты энергии, чем в германии. С ростом температуры концентрации электронов и дырок возрастают по экспоненциальному закону.
2.1.4.2 Электронный полупроводник
Электронным полупроводником или полупроводником типа n (от латинского negative - отрицательный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рис. 2.3) помимо основных (четырехвалентных) атомов содержатся примесные пятивалентные атомы, называемые донорами. В такой кристаллической решетке четыре валентных электрона примесного атома заняты в ковалентных связях, а пятый ("лишний") электрон не может вступить в нормальную ковалентную связь и легко отделяется от примесного атома, становясь свободным носителем заряда. При этом примесный атом превращается в положительный ион. При комнатной температуре практически все примесные атомы оказываются ионизированными. Наряду с ионизацией примесных атомов в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, в результате которой образуются свободные электроны и дырки. Однако концентрация возникающих в результате генерации электронов и дырок значительно меньше концентрации свободных электронов, образующихся при ионизации примесных атомов, т.к. энергия, необходимая для разрыва ковалентных связей, существенно больше энергии, затрачиваемой на ионизацию примесных атомов. Концентрация электронов в электронном полупроводнике обозначается nn, а концентрация дырок - pn. Электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки - неосновными.
2.1.4.3 Дырочный полупроводник
Дырочным полупроводником или полупроводником типа p (от латинского positive - положительный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рисунок 2.4) содержатся примесные трехвалентные атомы, называемые акцепторами. В такой кристаллической решетке одна из ковалентных связей остается незаполненной. Свободную связь примесного атома может заполнить электрон, покинувший одну из соседних связей. При этом примесный атом превращается в отрицательный ион, а на том месте, откуда ушел электрон, возникает дырка. В дырочном полупроводнике, также как и в электронном, происходит тепловая генерация носителей заряда, но их концентрация во много раз меньше концентрации дырок, образующихся в результате ионизации акцепторов. Концентрация дырок в дырочном полупроводнике обозначается p p , они являются основными носителями заряда, а концентрация электронов обозначается n p , они являются неосновными носителями заряда.
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.
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.
