ТЕМА: «ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ»
План
1. Проводники, полупроводники
2. Электропроводность полупроводников
- 1 -
Проводники – имеют свободные носители зарядов, участвующие в тепловом движении, перемещаясь по всему телу вещества. Простым языком те вещества, которые хорошо проводят через себя электричество, и передают его от одного заряженного тела, к другому.
Примерами проводников являются металлы, вода, земля, тело человека. Некоторые не металлы, к примеру, углерод – составляющий уголь и графит. Разнообразные растворы кислот и солей.
Драгоценные металлы – отличные проводники, но их цена даёт возможность применять их только там, где их применение оправдывает себя по себестоимости.
Другие проводники имеют большое сопротивление и в обычных схемах не используются, но их свойства применяют в тех же лампах накаливания. Пример: молибден и вольфрам.
Полупроводники – это вещества сочетающие свойства проводников и не проводников.
Полупроводник в нормальном состоянии пропускает определённое количество тока, либо вообще не пропускает. Но при изменении их температуры, начинает очень хорошо пропускать заряды.
Играя на этих свойствах: повышая или понижая температуру, можно делать так, чтобы полупроводник либо пропускал ток
К таким материалам относятся: кремний, германий, селен, смеси различных химических веществ.
Полупроводники нашли широкое применение в электронике. Их используют при изготовлении радиодеталей: транзисторы, диоды, тиристоры и другие.
Строение полупроводников
К таким материалам относятся: кремний, германий, селен, смеси различных химических веществ.
Полупроводники N-типа содержат избыточное количество электронов, переносящих отрицательный заряд. Полупроводники Р-типа испытывают нехватку электронов, но зато имеют избыток дырок (вакантных мест для электронов), которые переносят положительный заряд.
Отличительные признаки полупроводников
Полупроводники N-типа содержат избыточное количество электронов, переносящих отрицательный заряд. Полупроводники Р-типа испытывают нехватку электронов, но зато имеют избыток дырок (вакантных мест для электронов), которые переносят положительный заряд.
В отличие от проводников, имеющих много свободных электронов, и изоляторов, практически их не имеющих, полупроводники содержат небольшое количество свободных электронов и так называемые дырки (белый кружочек) — вакантные места, оставленные свободными электронами. И дырки и электроны проводят электрический ток.
- 2 -
Электропроводность полупроводников
► Собственные полупроводники
Как уже отмечалось, в полупроводниках появление носителей заряда определяется рядом факторов, важнейшими из которых являются чистота материала и его температура. В зависимости от степени чистоты полупроводники делятся на собственные и примесные. Собственный полупроводник – это полупроводник, в котором отсутствуют примесные атомы другой валентности, влияющие на его электропроводность. Естественно, в реальных материалах в кристаллической решетке всегда существуют примеси, но у собственных полупроводников их концентрация пренебрежимо мала.
Рассмотрим строение полупроводникового материала, получившего наибольшее распространение в современной электронике, – кремния (Si). В кристалле этого полупроводника атомы располагаются в узлах кристаллической решетки, а электроны наружной электронной оболочки образуют устойчивые ковалентные связи, когда каждая пара валентных электронов принадлежит одновременно двум соседним атомам и крепко связана с ними. Кремний относится к IV группе таблицы Менделеева, следовательно, на наружной электронной оболочке располагаются по четыре валентных электрона; это означает, что вокруг каждого из атомов, кроме четырех собственных электронов, вращаются еще четыре соседних электрона. Таким образом, вокруг каждого атома образуются прочные электронные оболочки, состоящие из восьми обобществленных валентных электронов (рисунок 3.1). Такая связь характеризуется очень высокой прочностью.
При температуре абсолютного нуля (Т = 0 К) все энергетические состояния внутренних зон и валентная зона занята электронами полностью, а зона проводимости совершенно пуста, поэтому кристалл полупроводника фактически является диэлектриком.
Рисунок 3.1 – Структура связей атома кремния в кристаллической решетке при Т = 0 К
При передаче кристаллической решетке дополнительной энергии, например при повышении температуры в результате поглощения каким-либо электроном этой дополнительной энергии, он разрывает ковалентную связь. Появляется вероятность его перехода в зону проводимости, где он становится свободным носителем n электрического заряда (рисунок 3.2), причем, чем больше температура, тем выше эта вероятность. Одновременно с этим у того атома полупроводника, от которого отделился электрон, возникает незаполненный энергетический уровень в валентной зоне, называемый дыркой р. Она представляет собой единичный положительный электрический заряд (равный по модулю заряду электрона) и может перемещаться по всему объему полупроводника под действием электрических полей, диффузии (в результате разности концентраций носителей заряда в различных зонах полупроводника), а также в результате теплового движения. На самом деле движутся только электроны, но их эстафетное перескакивание с атома на атом можно формально описать как движение одной дырки, перемещающийся в направлении, обратном движению электронов, т.е. в направлении поля.
Рисунок 3.2 – Генерация пары свободных носителей заряда
«электрон – дырка» при Т > 0 К
Таким образом, в идеальном кристалле полупроводника при нагревании образуются пары носителей заряда «электрон – дырка», которые обуславливают появление собственной электрической проводимости полупроводника.
Процесс образования пары «электрон – дырка» называется генерацией свободных носителей заряда. Скоростьгенерации G определяется количеством пар носителей заряда, генерируемых в единицу времени. Она обратно пропорционально ширине запрещенной зоны ΔW и прямо пропорциональна температуре Т.
► Примесные полупроводники
Полупроводники, в кристаллическую решетку которых введены атомы примесей с валентностью, отличающейся от валентности основных атомов, называются примесными. Электрическая проводимость, создаваемая введенной примесью, называется примесной проводимостью. Именно примесные полупроводники используются для изготовления всех элементов электроники. У них концентрация носителей заряда, вызванных наличием примеси, значительно превышает концентрацию собственных носителей заряда, поэтому электропроводимость проявляется при более низких температурах. Дело в том, что в рабочем интервале температур поставщиками свободных носителей заряда являются примеси. При их малой концентрации вероятность непосредственного перехода электронов от одного примесного атома к другому ничтожно мала. Но, однако, примеси могут либо поставлять электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны.
Под примесями в полупроводниковых химических соединениях понимаются не только включения атомов посторонних элементов, но и избыточные собственные атомы. Кроме того, роль примесей играют всевозможные дефекты кристаллической решетки: пустые узлы, атомы или ионы, оказавшиеся в междоузлиях решетки, дислокации или сдвиги, возникающие при пластической деформации кристалла, микротрещины и т.д.
В зависимости от валентности примеси делятся на донорные и акцепторные. Если валентность примесных атомов больше, чем основных, примесь является донорной, т.к. в этом случае у примесного атома образуется лишний электрон, не участвующий в ковалентной связи с основными атомами. Этот электрон связан со своим атомом только силой кулоновского взаимодействия. Энергия этой связи невелика (сотые доли электрон-вольта). Поскольку при комнатной температуре тепловая энергия электрона kT =0,026эВ, ионизация примесных атомов происходит уже при этой температуре. Лишний электрон отрывается от атома и становится свободным, т.е. примесные атомы выполняют роль доноров электронов.
С точки зрения зонной теории, донор – это примесный атом или дефект кристаллической решетки, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, занятый в невозбужденном состоянии электроном и способный в возбужденном состоянии отдать электрон в зону проводимости.
На рисунке 3.5 показан монокристалл четырехвалентного кремния, в кристаллическую решетку которого введено некоторое количество атомов примеси, например, пятивалентной сурьмы Sb. Атом примеси располагается в узле кристаллической решетки, четыре его валентных электрона участвуют в ковалентной связи с соседними атомами кремния аналогично существующим связям в основных атомах кристаллической решетки. Пятый же валентный электрон Sb такой связи установить не может, т.к. в атомах кремния все свободные связи (уровни) уже заполнены, и отправляется в «свободное плавание».
Атом примеси, потеряв один электрон, становится положительно заряженным ионом с единичным положительным зарядом. Он остается в узле кристаллической решетки и, в отличие от дырки, тоже имеющей единичный положительный заряд, не может перемещаться внутри кристалла, т.к. связан с соседними атомами полупроводника межатомными связями. Этот ион может только совершать колебательные явления около положения равновесия в узле кристаллической ячейки. При этом электрическая нейтральность кристалла не нарушается, т.к. заряд каждого электрона, перешедшего в зону проводимости, компенсируется положительно заряженным ионом примеси.
Рисунок 3.5 – Механизм действия донорной примеси
Такой вид примесной электропроводности, обусловленной наличием свободных электронов в зоне проводимости, называется электронной, или n-проводимостью, а сам полупроводник – электронным, или полупроводником n-типа.
Кроме сурьмы, типичными донорами для кремния и германия являются мышьяк (As) и фосфор (P).
Если в кристаллическую решетку кремния ввести атомы трехвалентной примеси, например, индия, имеющего на наружной электронной оболочке три валентных электрона, то эти электроны образуют ковалентные связи только с тремя соседними атомами кремния из четырех (рисунок 3.7).
Одна из связей останется незаполненной из-за отсутствия у атома примеси необходимого электрона. При незначительном тепловом воздействии может произойти ее заполнение за счет электрона, перешедшего к атому примеси от соседнего основного атома. При этом атом примеси, приобретая лишний электрон, становится отрицательно заряженным ионом, а в основном атоме на том месте, откуда пришел электрон, возникает дырка. Она перемещается по связям основного вещества и, следовательно, принимает участие в проводимости полупроводника. Такая примесь, захватывающая электроны, называется акцепторной, проводимость – дырочной, или проводимостью р-типа, а сам полупроводник – дырочным, или полупроводником р-типа.
Для образования свободной дырки за счет перехода электрона от основного атома к атому примеси требуется значительно меньше энергии, чем для разрыва ковалентных связей кремния, поэтому основными носителями заряда в этом случае будут дырки, а неосновными – электроны.
С точки зрения зонной теории, акцептор – это примесный атом или дефект кристаллической решетки, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, свободный от электрона в невозбужденном состоянии и способный захватить электрон из валентной зоны в возбужденном состоянии.