Электрический ток в полупроводниках

По значению удельного электронного сопротивления полупроводники занимают промежуточное место меж неплохими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие хим элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), неограниченное количество сплавов и хим соединений. Практически все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым всераспространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры. Высококачественное отличие полупроводников от металлов проявляется сначала в зависимости удельного сопротивления от температуры. С снижением температуры сопротивление металлов падает (см. рис. 4.12.4). У полупроводников, напротив, с снижением температуры сопротивление растет и поблизости абсолютного нуля они фактически становятся изоляторами (рис. 4.13.1).

Зависимость удельного сопротивления 1
Набросок 4.13.1. Зависимость удельного сопротивления ρ незапятнанного полупроводника от абсолютной температуры T.

Таковой ход зависимости ρ(T) указывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается неизменной, а возрастает с ростом температуры. Механизм электронного тока в полупроводниках нельзя разъяснить в рамках модели газа свободных электронов. Разглядим отменно этот механизм на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен. Атомы германия имеют четыре почти не связанных электрона на наружной оболочке.

Их именуют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен 4-мя наиблежайшими соседями. Связь меж атомами в кристалле германия является ковалентной, другими словами осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам (рис. 4.13.2). Валентные электроны в кристалле германия еще посильнее связаны с атомами, чем в металлах; потому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Поблизости абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Таковой кристалл электронного тока не проводит.

Парно-электронные связи 2
Набросок 4.13.2. Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары.

При повышении температуры некая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Сразу в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили заглавие «дырок». Свободное место может быть занято валентным электроном из примыкающей пары, тогда дырка переместиться на новое место в кристалле. При данной температуре полупроводника в единицу времени появляется определенное количество электронно-дырочных пар.

В то же время течет оборотный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электрическая связь меж атомами германия. Этот процесс именуется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электрического излучения. В отсутствие электронного поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом термическом движении. Если полупроводник помещается в электронное поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только лишь свободные электроны, да и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частички. Потому ток I в полупроводнике складывается из электрического In и дырочного Ip токов:

I = In + Ip.

  Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: nn = np. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у незапятнанных (другими словами без примесей) полупроводников. Он именуется своей электронной проводимостью полупроводников. При наличии примесей электропроводимость полупроводников очень меняется. К примеру, добавка примесей фосфора в кристалл кремния в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на 5 порядков. Такое сильное воздействие примесей может быть объяснено на базе изложенных выше представлений о строении полупроводников.

Нужным условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при внедрении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности главных атомов кристалла. Проводимость полупроводников при наличии примесей именуется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электрическую и дырочную проводимости. Электрическая проводимость появляется, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (к примеру, атомы мышьяка, As).

Атом мышьяка в решетке германия. 3
Набросок 4.13.3. Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник n-типа.

На рис. 4.13.3 показан пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с 4-мя примыкающими атомами германия.

5-ый валентный электрон оказался лишним; он просто отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, преобразуется в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превосходящей валентность главных атомов полупроводникового кристалла, именуется донорской примесью.

В итоге ее введения в кристалле возникает существенное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тыщи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с огромным содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению железного проводника. В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за свою проводимость кристалла.

Но главным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле nn >> np. Такая проводимость именуется электрической, а полупроводник, владеющий электрической проводимостью, именуется полупроводником n-типа.

Атом индия в решетке германия. 4
Набросок 4.13.4. Атом индия в решетке германия. Полупроводник p-типа.

Дырочная проводимость появляется, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (к примеру, атомы индия, In). На рис. 4.13.4 показан атом индия, который сделал при помощи собственных валентных электронов ковалентные связи только с 3-мя примыкающими атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи примыкающих атомов германия. В данном случае атом индия преобразуется в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи примыкающих атомов появляется вакансия. Примесь атомов, способных захватывать электроны, именуется акцепторной примесью.

В итоге введения акцепторной примеси в кристалле разрывается огромное количество ковалентных связей и образуются свободные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из примыкающих ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу. Наличие акцепторной примеси резко понижает удельное сопротивление полупроводника за счет возникновения огромного числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью существенно превосходит концентрацию электронов, которые появились из-за механизма своей электропроводности полупроводника: np >> nn. Проводимость такового типа именуется дырочной проводимостью.

Примесный полупроводник с дырочной проводимостью именуется полупроводником p-типа. Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p-типа являются дырки. Следует выделить, что дырочная проводимость в реальности обоснована эстафетным перемещением по вакансиям от 1-го атома германия к другому электронов, которые производят ковалентную связь. Для полупроводников n- и p-типов закон Ома производится в определенных интервалах сил тока и напряжений при условии всепостоянства концентраций свободных носителей.