Полупроводниковые материалы имеют удельные электрические сопротивления 10-2—1010 Ом * см.
Электрический ток в полупроводниках обусловлен движением сравнительно небольшого количества электронов. Эта характерная особенность полупроводников объясняется тем, что валентные электроны атомов, из которых состоят полупроводники, прочно связаны со своими атомами и не могут двигаться, т. е. не являются свободными. Отрыв их от атомов может произойти в результате нагревания полупроводников внешним источником тепла, а для некоторых полупроводников освещением их. Это увеличивает энергию электронов, в результате чего электроны переводятся в более высокое энергетическое состояние, которое позволяет им отрываться от атомов и перемещаться под действием приложенного напряжения. Чем выше температура проводника, тем более высокие энергетические состояния приобретают электроны и тем большее количество их освобождается. Область или зона энергетических состояний электронов, находясь в которой они могут создавать ток, носит название зоны проводимости.
Для многих полупроводников достаточно невысокой температуры (например, комнатной), чтобы перевести некоторое количество электронов их атомов в зону проводимости. Непрерывное повышение температуры усиливает процесс такого перехода и проводимость полупроводника в результате этого увеличивается. Итак, электропроводность в полупроводниках обусловливается электронами. Она называется электронной электропроводностью или электропроводностью n-типа1. В данном случае электроны, создающие ток, принадлежат атомам самого полупроводника, а не атомам примеси, поэтому такую электропроводность называют собственной.
У атома, электрон которого перешел в зону приводимости, образовался, таким образом, недостаток одного электрона. Такие атомы превращаются в положительные ионы, которые, однако, закреплены на месте и не в состоянии двигаться и принимать участие в создании тока. Место отсутствующего электрона может занять электрон с соседнего атома, у которого такого недостатка нет. В результате этого перехода появится у второго атома недостаток в электроне. Подобный процесс может иметь место одновременно у многих атомов.
Если приложить электрическое напряжение, перескок электронов с одних атомов на другие (соседние) примет характер направленного перемещения их в одну сторону. Одновременно с этим образующиеся положительно заряженные атомы будут возникать в направлении, противоположном движению электронов. Это будет похоже на движущиеся положительные заряды, т.е. на ток, создаваемый положительными электрическими зарядами, которые движутся в направлении, противоположном движению электронов.
Отсутствие в атоме электрона в результате перехода его в зону проводимости получило название дырки (в атоме). Электрический же ток, образующийся при движении дырок, называют дырочным током. Электропроводность, обусловленная этим дырочным током, называется дырочной электропроводностью или электропроводностью р- типа2.
Итак, движение электронов (в одном направлении) и дырок атомов (в обратном направлении) самого полупроводника создает собственную электропроводность, которая с повышением температуры возрастает. Понижение же температуры будет уменьшать собственную электропроводность полупроводника, так как будет уменьшаться число электронов, переходящих в зону проводимости. Поэтому полупроводники при охлаждении приближаются к диэлектрикам по величине их сопротивления. Основные полупроводниковые материалы — германий и кремний — являются кристаллическими веществами. Они имеют одинаковую кубическую кристаллическую структуру. Это означает, что кристалл их имеет форму куба. Взаимное расположение атомов в этой кубической структуре изображено на рис.141., из которого видно, что восемь атомов занимают места узлов в вершинах куба. Они обозначены буквой «у» (узел). В центрах всех шести граней куба находиться по одному атому: они обозначены буквой «г» (грань).
Таким образом, кристаллическая структура германия и кремния представляет собой гранецентрированный куб, который делиться на восемь более малых кубов. Вверху слева обозначен пунктиром один из восьми таких кубов. В центрах четырех (из восьми) малых кубов, расположенных в шахматном рядке, находится еще по одному атому. Они обозначены буквой «ц» (центр малого куба). Каждый из перечисленных атомов связан с четырьмя своими ближайшими соседями. Это более наглядно видно на примере атомов, находящихся в центрах малых кубов. Каждый центральный атом «ц» связан с одним узловым атомом и тремя атомами «г» находящимися в центрах граней большого куба. Все эти четыре атома в свою очередь связаны в отдельности с четырьмя своими ближайшими соседними атомами. (Рис.141) представляет объемную картину кристаллической структуры германия, кремния и алмаза. Однако для представления о движении электронов в кристалле удобнее пользоваться упрощенной картиной взаимного расположения атомов в виде плоской решетки.
На рис. 142 показана такая плоская кристаллическая решетка германия. Она будет такой же и для плоского изображения решетки кремния. Прямые линии, попарно соединяющие ближайшие атомы, представляют собой пространственные связи атомов. Рассмотрим связи атома А с его четырьмя соседними атомами Б, В. Г и Д. У каждого атома германия (как и у кремния) имеется но четыре валентных электрона. У атома А они расположены на прямых линиях а. На таких же прямых линиях б, в, г и д располагаются валентные электроны атомов Б, В, Г и Д. Таким образом, вокруг атома А располагаются четыре пары электронов. Эти электроны связывают атом А с атомами Б, В, Г и Д, вращаясь попарно вокруг атома А и каждого из четырех соседних атомов.
Рис.142.Плоская кристаллическая решетка чистого германия
На (рис. 143) представлена картина электронного взаимодействия атомов, устанавливающих прочную (ковалентную) связь их друг с другом. Каждый электрон, образующий связь с другим атомом, обладает энергией определенной величины. У некоторых их них эта энергия может оказаться достаточной для того, чтобы он перешел к другому атому и даже не обязательно к соседнему. Если же путем нагревания полупроводника или освещением его сильно повысить энергию, связанного с атомом электрона, то электрон может передвигаться от атома к атому и перейти даже в зону проводимости, т.е. образовать электрический ток в полупроводнике.
На (рис. 143,а), в его верхней части представлены различные пути движения электронов, обладающих повышенной энергией, но когда к полупроводнику не приложено напряжение.
Рис. 143 Схема движения электронов и дырок в чистом германии:а- при отсутствии электрического поля, б-в электрическом поле.
Предположим что электрон атома 3 оставил свое место в в атоме и оказался в положении г. В атоме 3 при этом образовалась дырка (вакантное место), которая может быть занята другим электроном. Электрон атома 1 одновременно покинул свое место в связи с а, обошел атом 2 с двух сторон и занял дырку в атоме 3. В результате этого дырка в атоме 3 перестала существовать. Такое заполнение электроном дырки в другом атоме и уничтожением тем самым положительного заряда называется рекомбинацией. Электрон же атома 4, покинув место д, приобрел направление движения вверх, т.е. отличное от направления движения электронов а и в. Все это показывает, что в случае, когда к полупроводнику не приложено напряжение от внешнего источника, электроны хотя и перемещаются, но тока не создают, так как их движение в полупроводнике беспорядочное.
На (рис. 143 , б), показана картина движения электронов в случае, когда к полупроводнику приложено напряжение от внешнего источника. Здесь под действием внешнего электрического поля Е электрон в, находившийся в положении 1, направился в сторону положительного электрода. На его месте 1 образовалась дырка. В это время из положения 2 начал двигаться
Рис. 144. Схема движения электронов и дырок в случае собственной электропроводности |
На (рис. 144) показано направленное движение электронов и дырок в полупроводнике под действием внешнего электрического поля Е. Здесь одновременно перемещаются навстречу друг другу семь электронов и столько же дырок. Собственная электропроводность полупроводника характеризуется равенством количества носителей отрицательных и положительных электрических зарядов. Следовательно, в случае собственной электропроводности количества электронов и дырок равны, но электродный ток больше дырочного Iэ>Iд, так как подвижность электронов больше подвижности дырок. В полупроводнике общий ток равен сумме электронного и дырочного токов: I = Iэ + IД.
В полупроводниковом материале можно, например создать только электронную или только дырочную электропроводность. Это достигается внесением в очищенный полупроводниковый материал атомов различных примесей. У одних примесных атомов валентные электроны по своему энергетическому состоянию могут приближаться к электронам атомов данного полупроводника, находящихся в зоне проводимости. Такие электроны перейдут в зону проводимости при более низких температурах, чем это требуется в случае собственной электропроводности.
Атомы примеси, снабжающие полупроводник свободными электронами называют донорными (доноры) (« даришь»- лат.).
Другие атомы, употребляемые в качестве примесей в полупроводниках, обладают способностью присоединять к себе электроны всех тех, которые они имеют. Такие атомы будут брать электроны у атомов самого полупроводника, в результате чего в полупроводнике образуется недостаток электронов, т.е. дырки. Атомы примеси, создающие в полупроводнике дырки, получили название акцепторов. Следовательно, смотря по тому, что вносится в качестве легирующей примеси в данный полупроводник, он может иметь электронную или дырочную электропроводность, т. е. примесная электропроводность может быть n -или р-типа.
Таким образом, в основных чистых полупроводниковыхматериалах (например, в германии или кремнии) можно создать с помощью одних примесей электропроводность только электронную, с помощью других — только дырочную. Примесные атомы, которые введены в кристалл основного материала, занимают в нем места атомов этого кристалла. Очевидно, чем больше будет примесных атомов, тем выше электропроводность таких полупроводников.
Рис. 146.Ионизированные акцепторы Плоская кристаллическая решетка германия с примесью бора (акцептора) |
Кристаллическая решетка германия с примесными атомами трехвалентного бора (В) показана на (рис. 146). Так как у атома бора всего три валентных электрона, то он может прочно связаться лишь с тремя ближайшими атомами германия. Для связи с четвертым атомом германия у атома бора нет электрона, который он, однако, может получить из электронной связи атомов германия. Так, электроны из связи атомов германия 1, 3 и 5,соответственно, перешли в положение 2, 4и 6связи атомов германия и бора, оставив в положении 1, 3и 5дырки. Атомы бора (акцепторы), получившие электроны, становятся отрицательными ионами. Электроны, захваченные атомами бора создавать электрический ток не будут, а образовавшиеся в связях атомов германия дырки послужат причиной перехода в них электронов из соседних атомов германия, где в свою очередь тоже появляются дырки и, таким образом, дырка будет проходить путь от одного атома германия к другому, от него к следующему и т. д. Под действием напряжения это движение будет упорядочено, т.е. возникнет дырочный ток. Здесь имеет место соотношение Iд > Iэ; а общий ток I равен по-прежнему сумме токов:
I = Iэ + Iд.
На (рис. 147) показана схема движения дырок и электронов в германии, легированном акцепторной примесью — бором.
Рис. 147. Схема движения электронов и дырок в случае дырочной проводимости полупроводника с примесью акцепторных атомов |
свободных электронов, освободившихся при комнатной температуре от своих атомов. Всего же атомов германия в единице объема 1023. Если же ввести в такой германий донорную примесь – мышьяк или фосфор так, чтобы один примесный атом приходился на 107 атомов германия, то в кубическом сантиметре германия этих атомов будет 1023/107=1016. Так как у каждого атома примеси имеется один лишний электрон, то в полупроводнике окажется 1016 свободных электронов. Процентное содержание примесных атомов весьма невелико, а именно:
(1016 / 1023) * 100% = 0,00001%,
что трудно даже аналитически установить, а содержание электронов стало больше в тысячу раз
1016 / 1013= 1000
Поэтому в полупроводниках очень малое количество примеси может сильно изменить их электрическое сопротивление.