Reklama

Напівпровідники. Загальні відомості

Напівпровідники. Загальні відомості

Перед тим, як приступити до розгляду теми, задамося питанням: чому мова далі піде саме про напівпровідники? А це тому, що, як видно з опису розвитку електроніки, в наш час найбільші успіхи у цій галузі пов’язані із застосуванням пристроїв, виконаних на напівпровідникових приладах.

Напівпровідники (НП) належать до класу речовин, що мають тверду кристалічну структуру і за питомою провідністю (104 – 10’10 Сим/см) займають проміжне місце між провідниками (104 – 106 Сим/см) та діелектриками (1010 Сим/см та менше).

При виготовленні НП приладів частіше використовують кремній (Si – має робочу температуру до 140°С), германій (Ge – найбільша робоча температура 75°С), арсенід галію (GaAs – працює при температурах до 350-400°С).

До НП також відносять селен, телур, деякі окисли, карбіди та сульфіди. НП мають такі властивості:

1)      негативний температурний коефіцієнт опору – із збільшенням температури їх опір зменшується (у провідників – зростає);

2)      додавання домішок призводить до зниження питомого опору (у провідників – до збільшення);

3)      на електричну провідність НП впливають радіація, електромагнітне випромінювання.

Процеси електропровідності НП і діелектриків подібні, але суттєво відрізняються від електропровідності провідників.Зазначимо, що електрони, розташовані на зовнішній орбіті атома речовини, мають назву валентних. Вони найслабкіше зв’язані з ядром і визначають фізичні та хімічні властивості речовини.

У провідників електрони, розташовані на зовнішній орбіті атома, слабко зв’язані з ядром і тому досить легко покидають свої атоми, після чого хаотично переміщуються у матеріалі – стають вільними. Якщо до провідника прикласти зовнішнє електричне поле, виникне впорядкований рух електронів – електричний струм.

У НП усі валентні електрони міцно зчеплені з кристалічними ґратками завдяки так званому ковалентному зв’язку, про який Ви знаєте з хімії. Доки цей зв’язок існує, електрони не можуть переносити електричний заряд у матеріалі.

 

 

Механізм електропровідності НП розглянемо на прикладі кристалічних ґраток германію, що є елементом IV групи періодичної системи Менделєєва. Ґратки у вигляді плоскісної структури германію зображено на рис. 1. 1.

полупроводники

Атоми германію розміщені у вузлах кристалічних ґраток, їх зв’язок з іншими атомами здійснюється за допомогою чотирьох валентних електронів. Подвійні лінії між вузлами вказують на ковалентний характер зв’язку, тобто кожна пара валентних електронів належить водночас двом сусіднім атомам. При температурі абсолютного нуля і при відсутності опромінення у НП відсутні рухомі носії і його електричний опір великий (нескінченний).

За звичайних умов, внаслідок дії на речовину теплової енергії, деякі з валентних електронів покидають ковалентні зв’язки і стають електронами провідності – відбувається процес генерації пар носіїв: електронів і дірок. При цьому дірка – вакантне місце у ковалентному зв’язку – має позитивний заряд, що їй приписується умовно.

Якщо тепер помістити НП в електричне поле, виникне спрямований рух зарядів – електричний струм. На відміну від провідників струм в НП забезпечується носіями двох зарядів – позитивного + (дірки) та негативного – (електрони).

Провідність чистого НП має назву власної, сам же НП відносять до і-типу. Власна провідність звичайно невелика. Значно більшу провідність мають НП із домішками, до того ж її характер залежить від виду домішок.

Розглянемо приклад, коли у розплав чистого германію додається домішка п’ятивалентного елемента (V група таблиці Менделєєва), наприклад, арсену (As), як показано на рис. 1.2.

полупроводники

При застиганні у деяких вузлах кристалічних ґраток германію його атоми заміщуються атомами домішки. При цьому чотири валентних електрони домішки створюють систему ковалентних зв’язків із чотирма валентними електронами германію, а п’ятий електрон домішки виявляється надлишковим – вільним. Вільні електрони залишають у вузлах кристалічних ґраток нерухомі позитивно заряджені іони, що створюють у кристалі позитивний об’ємний заряд.

Домішка, що віддає вільні електрони, називається донорною. НП з переважаючою кількістю вільних електронів має назву НП з електронною провідністю, або НП n-типу.

Розглянемо введення у германій домішки з трьома валентними електронами (III група таблиці Менделєєва), наприклад, індію (In), як це показано на рис. 1.3.

Для утворення ковалентного зв’язку між Ge та In одного електрона не вистачає. При дії теплоти навколишнього середовища електрони з верхнього рівня валентної зони переміщуються на рівень домішки, створюючи зв’язки, яких не вистачає, завдяки ґратки германію чому у валентній зоні утворюються рухомі з акцепторною домішкою дірки, а атоми домішки перетворюються у негативні іони. Така домішка називається акцепторною, а НП з переважною кількістю дірок – НП з дірковою провідністю, або р-типу.

полупроводники

Переважаючі у НП рухомі носії заряду мають назву основних, решта – неосновних.

Reklama