Сторінка
1

Електричний струм у напівпровідниках

Електричні властивості напівпровідників

До напівпровідників відносяться речовини, що займають по величині питомої електричної провідності проміжне положення між металами і діелектриками. Їх питома електрична провідність лежить у межах від 10-8 до 105 див/м и в відмінність від металів вона зростає з ростом температури.

Напівпровідники являють собою досить численну групу речовин. До них відносяться хімічні елементи: германій, кремній, бор, вуглець, фосфор, сірка, миш'як, селенів, сіре олово, телур, йод, деякі хімічні сполуки і багато органічних речовин.

В електроніці знаходять застосування обмежена кількість напівпровідникових матеріалів. Це насамперед кремній, германій, і арсенід галію. Ряд речовин, таких як бор, миш'як, фосфор використовуються як домішки.

Застосовувані в електроніці напівпровідники мають дуже зроблену кристалічну структуру. Їхні атоми розміщені в просторі в строго періодичній послідовності на постійних відстанях друг від друга, утворити кристалічні ґрати. Ґрати найбільш розповсюджених в електроніці напівпровідників - германія і кремнію - мають структуру алмазного типу. У таких ґратах кожен атом речовини оточений чотирма такими ж атомами, що знаходяться у вершинах правильного тетраедра.

Кожен атом, що знаходиться в кристалічних ґратах, електричний нейтральний. Сили, що утримують атоми у вузлах ґрат, мають квантовомеханічний характер; вони виникають за рахунок обміну взаємодіючих атомів валентними електронами. Подібний зв'язок атомів зветься ковалентного зв'язку, для її створення необхідний пара електронів.

У германії і кремнії, що є чотирьохвалентними елементами, на зовнішній оболонці мається по чотирьох ковалентні зв'язки з чотирма найближчими, навколишніми його атомами.

Носії заряду в напівпровіднику.

У розглянутих ідеальних ґратах всі електрони зв'язані зі своїми атомами, тому така структура не повинна проводити електричний струм. Однак у напівпровідниках (що докорінно відрізняє їх від діелектриків) порівняно невеликі енергетичні впливи, обумовлені чи нагріванням опроміненням, можуть привести до розриву деяких валентних зв'язків у ґратах. При цьому валентний електрон, що відірвався від свого атома, переходить у новий стійкий стан, у якому він має здатність переміщатися по кристалічним ґратам. Такі зірвані з валентних зв'язків рухливі електрони називаються електронами провідності. Вони обумовлюють електропровідність напівпровідника, називану електронною електропровідністю (мал.1.1).

Мінімальна величина енергії DW, яку необхідно повідомити валентному електрону для того, щоб відірвати його від атома і зробити рухливим, залежить від структури ґрат і, отже, є параметром напівпровідника.

Енергія електронів, що переміщаються по кристалі, лежить у деякому діапазоні значень, інакше кажучи, електрони займають цілу зону енергетичних рівнів, називану зоною провідності. Енергетичні стани валентних електронів також утворять зону, називаний валентної. Між максимальним рівнем валентної зони і мінімальним рівнем зони провідності лежить область енергетичним станів, у яких електрони не можуть знаходитися; це так називана заборонена зона. Ширина забороненої зони W визначає енергію, необхідну для звільнення валентного електрона, тобто енергію іонізації атома напівпровідника. Таким чином, з енергетичної точки зору відривши валентного електрона від атома і перетворення його в електрон провідності відповідають перекиданню електронів з валентної зони в зону провідності.

При розриві валентного зв'язку і відході електрона з атома в ґрати утвориться незаповнений зв'язок, який наявний нескомпенсований позитивний заряд, рівний по величині заряду електрона +e. Тому що на незаповнений зв'язок легко переходить валентні електрони із сусідніх зв'язків, чому сприяє тепловий рух у кристалі, то місце, де відсутній валентний електрон, (називане, діркою), хаотично переміщається по ґратам. При наявності зовнішнього полючи дірка також буде рухатися в напрямку дії полючи, що відповідає переносу позитивного заряду, тобто електричному струму.

Цей вид електропровідності напівпровідника називають дирочний електропровідністю у відмінності від раніше розглянутими електронними, обумовленими вільними електронами.

Напівпровідник, що має у вузлах ґрат тільки власні атоми, прийнято називати власним провідником; усі величини, що відносяться до нього, позначаються індексом і (від англійського слова intrinsic- властивий).

В електроніці часто застосовуються напівпровідники, у яких частина атомів основної речовини у вузлах кристалічних ґрат заміщена атомами домішки, тобто атомами іншої речовини. Такі напівпровідники називаються примісними. Для германія і кремнію найчастіше використовують пятивалентні і тривалентні домішки. До п’ятивалентним домішок відносяться фосфор, сурма, миш'як і ін.; до тривалентних - бор, алюміній, індій, галій.

При наявності п’ятивалентної домішки чотири валентних електрони примесного атома разом з чотирма електронами сусідніх атомів утворять ковалентні зв'язки, а п'ятий валентний електрон виявляється "зайвим". Енергія зв'язку його зі своїм атомом Wп набагато менше, ніж енергія W, необхідна для звільнення валентного електрона.

Завдяки невеликій енергії іонізації Wn, п'ятий електрон навіть при кімнатній температурі може бути відірваний від свого атома за рахунок енергії теплового руху. При цьому утвориться вільний електрон, здатний переміщатися по кристалічним ґратам, і нерухомий позитивний заряд -атом домішки, що втратив цей електрон. Домішки такого виду, що віддають електрони, називаються донорними, а кристали з подібною домішкою - напівпровідниками п-типу

При введенні тривалентної домішки примесний атом віддає три своїх валентних електрони для утворення ковалентних зв'язків із трьома прилеглими атомами. Зв'язок з четвертим атомом виявляється незаповненої, однак на неї порівняно легко можуть переходити валентні електрони із сусідніх зв'язків.

При перекиданні валентного електрона на незаповнений зв'язок примісний атом із приєднаним зайвим електронів утворить у ґратах нерухомий негативний заряд; крім того, у ґратах утвориться дірка, здатна переміщатися по ґратам і зумовлююча дирочну провідність напівпровідника. Домішки такого виду, що захоплюють електрони, називаються акцепторними, а кристал з акцепторною домішкою - напівпровідник р-типу.