Полупроводники и их электропроводность

Полупроводники – это вещества, имеющие удельное сопротивление промежуточное по значению между удельными сопротивлениями проводников и диэлектриков.

Значение удельного сопротивления:

10^-6-10^-4 Ом/см – у металлов

10^-3-10⁹ Ом/см – у полупроводников

более 10¹⁰ Ом/см – у диелектриков

Различие проводимостей полупроводников и диелектриков скорее количественное, а сравнительно с металлами – еще и качественное.

На значение сопротивления у полупроводник влияет:

температура (при увеличении t^о уменьшается R)

концентрация примесей

различные излучения

влажность

К полупроводникам относятся некоторые химические элементы (германий, кремний, селен), некоторые интерметаллические соединения ( GaAs ), оксиды, сульфамиды и т.д.

Рассмотрим физику проводимости на примере кремния (Si) и германия (Ge). У обеих валентность – 4, т.е. на внешней орбите у них по 4 валентных электрона.

Кристаллическая решетка: каждый атом находится в центре между 4 другими и взаимодействует с каждым из них парой общих электронов (ковалентная связь). Взаимная связь обусловлена обращением электронов вокруг обоих атомов.

При увеличении T^о энергия электронов W тоже увеличивается. Электроны распределяются по энергиям по нормальному закону.

При приращении энергии для кремния 1,12 эВ некоторые валентные электроны способны разорвать ковалентную связь и начать хаотически двигаться по кристаллу.

Незаполненные места ковалентной связи соответствуют единичному положительному заряду локального образования, состоящего из атомного остатка в том месте, откуда ушел электрон. Такое локальное образование, соответствующее незаполненной ковалентной связи, называется дыркой.

При движении свободных электронов по кристаллу часть из них может заполнить вакантные места в ковалентных связях и при этом их энергия станет меньше.

Избыток энергии выделяется в окружающую среду.

Если выделившейся энергии достаточно для разрыва ковалентной связи между атомами в окружающем пространстве, то создается впечатление, что дырка перемещается по кристаллу. Поэтому дырки можно рассматривать как положительные свободные носители заряда (СНЗ).

Процесс образования СНЗ под влиянием приращения энергии называют термогенерацией.

Если энергии, которая выделяется при переходе электрона в связанное состояние, не достаточно для разрыва новой ковалентной связи в соседних атомах, то создается впечатление, что пара "дырка ‑электрон" перестает существовать. Такое явление называется рекомбинацией.

Процессы термогенерации и рекомбинации происходят одновременно. При постоянной температуре количество термогенераций и количество рекомбинаций в среднем одинаково. Можно считать, что процессы уравновешивают друг друга и поэтому концентрация свободных электронов в среднем равна концентрации свободных дырок. Такое состояние называют состоянием термодинамического равновесия. При изменении температуры равновесие устанавливается на новом соответствующем температуре уровне.

Проводимость чистых полупроводников в равной мере является как электронной, так и "дырочной", т.к. n_i = p_i, где n_i – концентрация электронов, p_i – концентрация "дырок", i – тип полупроводника.

Для построения различных полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Добавление примесей в полупроводник i-ого типа позволяет получить преимущественно или электронную или дырочную проводимость. Для получения полупроводника с преимущественно электронной проводимостью используют донорные (пятивалентные) примеси (мышьяк, сурьма, фосфор). Концентрация атомов примеси должна быть на несколько порядков (3-4) больше, чем концентрация СНЗ одного типа в чистом полупроводнике при данной температуре.

Атом донорной примеси занимает центральное место между 4 собственными атомами, но способен образовать только 4 связи. Пятый электрон очень слабо держится на орбите и при приращении энергии 0,01 эВ уже становится свободным. Поэтому при t^о ≈ -150°C практически все атомы примеси теряют пятые электроны, и они становятся свободными. При дальнейшем повышении температуры концентрация свободных электронов растет очень незначительно, только за счет разрыва связей у собственных атомов полупроводника. Концентрация свободных электронов оказывается в 10³-10⁴ раз больше, чем концентрация свободных "дырок". Это соответствует ярко выраженной электронной проводимости. Электроны являются основными (ОНЗ), а "дырки" – неосновными (ННЗ) носителями заряда.

Для получения p-полупроводника используется акцепторная (трехвалентная) примесь. Атом примеси может образовать только 3 ковалентных связи. В результате свободных дырок оказывается 3-4 порядка больше, чем свободных электронов и т.о. дырки являются ОНЗ, а электроны ННЗ.