ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
|
| Рис. 3.71 |
Кремний Si, германий Ge, селен Se по проводимости электрического тока относятся к полупроводникам.
Из графика, изображенного на этом рисунке, видно, что при температурах, близких к абсолютному нулю, удельное сопротивление полупроводников очень велико. Это означает, что при низких температурах полупроводник ведет себя как диэлектрик. По мере повышения температуры удельное сопротивление быстро уменьшается.
Кремний – четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней оболочке атома имеется четыре электрона, сравнительно слабо связанных с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырем. Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парноэлектронной связи, называемой ковалентной связью.
| 
|
| Рис. 2 | Рис. 3 |
Парноэлектронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкой температуре не проводит электрического тока. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение. Аналогичное строение имеет кристалл германия.
Электронная проводимость. При нагревании кремния кинетическая энергия валентных электронов повышается и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои «проторенные пути» и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток (рис. 3).
Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью. По мере повышения температуры число разорванных связей и, значит, свободных электронов увеличивается. Это приводит к уменьшению сопротивления.
При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПРИ НАЛИЧИИ ПРИМЕСЕЙ
Мы рассмотрели механизм проводимости идеальных полупроводников. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников.
|
| Рис. 3.74 |
Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов.
Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная, примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того или иного знака.
Донорные примеси. Оказывается, что при наличии примесей, например атомов мышьяка, даже при очень малой их концентрации, число свободных электронов возрастает во много раз. Происходит это по следующей причине. Атомы мышьяка имеют пять валентных электронов. Четыре из них участвуют в создании ковалентной связи данного атома с окружающими, например с атомами кремния. Пятый валентный электрон оказывается слабо связанным с атомом. Он легко покидает атом мышьяка и становится свободным (рис. 3.74). При добавлении одной десятимиллионной доли атомов мышьяка концентрация свободных электронов становится равной 1016 см-3. Это в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике.
Примеси, легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными (отдающими) примесями.
Поскольку полупроводники, имеющие донорную примесь, обладают большим числом электронов (по сравнению с числом дырок), их называют полупроводниками n -типа (от слова negativ – отрицательный). В полупроводнике n -типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными.
Акцепторные примеси. Если в качестве примеси использовать индий, атомы которого трехвалентны, то характер проводимости полупроводника меняется. Теперь для образования нормальных парноэлектронных связей с соседями атому индия недостает электрона. В результате образуется дырка. Число дырок в кристалле равно числу атомов примеси.
Такого рода примеси называют акцепторными (принимающими).
При наличии электрического поля дырки перемещаются по полю и возникает дырочная проводимость. Полупроводники с преобладанием дырочной проводимости над электронной называют полупроводниками p -типа (от слова positiv – положительный). Основными носителями заряда в полупроводнике р -типа являются дырки, а неосновными – электроны.