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.

         
 
Caeac?eeo web aecaeia e i?ia?aiie?iaaiey - eaoaeia naeoia, iaci? aecaei nooaee