Электропроводность полупроводников
Рассмотрим теперь кристаллическую решетку полупроводниковых
кристаллов. Для полу-проводников характерна ковалентная связь
между атомами. В качестве примера рассмотрим кристалл германия
(Ge), имеющий четыре валентных электрона.Благодаря прочности ковалентной связи электроны
в кристалле германия гораздо более локализованы, чем в металлах.
Это означает, что в обычных условиях его проводимость
на порядки меньше, чем у металлов (из-за отсутствия “свободных”нелокализованных
электронов).Что же будет, если к такому кристаллу приложить разность потенциалов?
Даже если при этом в кристалле будет создано очень сильное электрическое поле, оно
сможет лишь чуть-чуть деформировать электронные орбиты, но разорвать их полностью
окажется не в состоянии. Свободных носителей заряда в кристалле не возникнет, и,
следовательно, не будет электрического тока. Таким образом, в “чистом виде” кристалл
германия представляет собой обычный диэлектрик.
Чтобы в кристалле кремния появились свободные
носители заряда, необходимо как-то нарушить их стабильные ковалентные связи. Достичь
этого можно различными способами.
Рис 90. Парно_электронные связи в
кристалле германия
Во-первых, кристалл можно просто нагреть, придав
его электронам дополнительную энергию,достаточную для того, чтобы разрушить межатомные
электронные связи. Предположим, в результате нагревания одна из связей разорвалась,
а выбитый со своей орбиты
электрон
оказался между четырьмя соседними атомами.
Что в это время происходит с разорванной связью?
Появившаяся у нее дополнительная энергия позволяет захватить электрон из соседней
связи. В свою очередь, вновь образовав-шаяся “дырка” также “отнимает” электрон у
соседней связи и т.д. В результате такая неполная связь подобно свободному электрону
хаотично перемещается между атомами решетки. Движение разорванных связей происходит
за счет перехода электронов, участвующих в соседних связях, а не свободных электронов,
так что каждый раз в кристалле появляется очередная неполная связь.
Образно это можно уподобить случаю, когда в
заполненном зрительном зале уходит один из зрителей первого ряда. На его место сразу
пересаживается зритель из второго ряда, чье
место тут
же занимает человек, сидевший в третьем ряду и т.д.При этом пустое место перемещается
по залу от первого ряда к последнему противоположно движению зрителей.
Когда разорванная связь перемещается по кристаллу,
то движется и созданный ею нескомпенсированный положительный заряд. Это можно рассматривать
как появление в полупроводнике положительно заряженных частиц, величина заряда которых
равна заряду электрона. Такие квазичастицы (“квази”-значит “почти”, так как это
все_таки не частицы) получили название “дырок”. Свободный электрон и дырка существуют в кристалле не
вечно.
Спустя некоторое время, составляющее от 10_10 до 10_2 с,
свободный
электрон и дырка встречаются и рекомбинируют.
При рекомбинации выделяется энергия, которая
была затрачена на создание электронно-дырочной пары. Иногда она выделяется в виде
излучения, но чаще она передается кристал-лической решетке, нагревая ее. Такая проводимость
называется собственной электропровод-ностью полупроводников.
Дырки рождаются и гибнут только парами вместе
со свободными электронами, поэтому концентрации электронов (n) и дырок (p) в собственном
полупроводнике (без примесей)
равны:
p = n
Второй способ получить в полупроводнике свободные
носители заряда-намеренное введение в кристалл различных примесей. Рассмотрим ситуацию,
когда в четырехвалентный
проводник,
например, в кремний, попадает атом пятивалентного вещества, например, мышьяк-As
или фосфор – P.
Рис 91. Атом мышьяка в решетке германия.
Полупроводник n_типа
Наличие пяти валентных электронов в атоме
As говорит о его способности организовывать
химические
связи с пятью соседними атомами. Но в кристаллической решетке кремния имеется
только
четыре соседних атома, с которыми можно образовать связи. Поэтому только четыре
из пяти валентных электронов мышьяка оказываются включенными в прочные химические
связи. Оставшийся же пятый электрон оказывается
не задействованным в связях, вследствие чего в кристалле создаются дополнительные
носители заряда-электроны.Такие примеси называют донорными. Обратите внимание на то, что, в отличие от собственного полупроводника,
рожде-ние свободного электрона здесь не сопровождается одновременным появлением
дырки, поскольку межатомные связи при этом не разрушаются. В результате концентрация
свободных
электронов
в кристалле с донорными примесями значительно больше концентрации дырок:
p < n
Полупроводники с донорными примесями называют
полупроводниками
n*типа (от англ. “negative” – отрицательный,по знаку основных носителей
заряда) или электронными
полупроводниками, а электроны
– основными носителями заряда.
Рис 92. Атом индия в решетке германия.
Полупроводник p_типа
Возможна и противоположная ситуация, когда
в четырехвалентный полупроводник вводится трехвалентная примесь, например индий
_ In или алюминий _Al. Для образования связей с че-тырьмя соседними атомами ему
не хватает одного валентного электрона. В этом случае атом
примеси
может легко “отобрать”недостающий электрон у соседнего атома кремния. В результа-те
у атома кремния возникает неполная связь, способная перемещаться по кристаллу (дырка).
Такие примеси
называют акцепторами.
Рождение примесных дырок также не приводит
к образованию электронно-дырочных пар, и концентрация дырок в полупроводнике с акцепторными
примесями выше, чем концентрация электронов:
p >n
Дырки в данном случае являются основными носителями
заряда, а сам полупроводник называют полупроводником p*типа
(от англ. positive-положительный) или дырочным полупро-водником.