Полупроводники. Механизм проводимости полупроводников.

Полупроводниковый материал- это материал, который по своей электронной проводимости занимает место между металлами и диэлектриками. Разная величина проводимости у металлов, полупроводников и диэлектриков, обусловлена разной величиной энергии, которую необходимо затратить, на то чтобы освободить валентный электрон от связей с атомами расположенными в узлах кристаллической решётки, причем проводимость полупроводников в значительной степени зависит от наличия примесей, освещения и температуры.

В кристаллической решётке полупроводника каждый атом окружается четырьмя одинаково удалёнными атомами и связан с этими атомами силами ковалентных связей, при ковалентной связи каждая пора валентных электронов по одному от каждого атома принадлежит в равной мере двум соседним атомам и образует связующую атомы силу.

В кристалле чистого полупроводника при температуре абсолютного нуля, все электроны принимают участие в образовании ковалентных связей и по этому не могут принимать участие в процессе проводимости. По этому при температуре абсолютного нуля проводимость полупроводника равна нулю.

С увеличением температуры, под действием света, разного рода излучений, некоторые валентные электроны получают энергию достаточную для преодоления силы связи с атомами и становятся свободными. Свободные электроны находятся в состоянии хаотического движения вызванного тепловыми колебаниями атомов кристаллической решётки. При отсутствии влияния электрического поля, средняя скорость движущихся электронов равна нулю. При приложении внешнего поля к полупроводнику средняя скорость движения электронов в направлении поля, будет отлична от нуля и пропорциональна напряженности приложенного поля, это движение электронов и даёт электрический ток.

Проводимость, обусловленная перемещением свободных электронов, называется электронной.

Кроме перемещения свободных электронов в полупроводниках возможен ещё один качественно иной способ перемещения электронов. Одновременно с появлением свободных электронов возникают незаполненные связи вблизи тех атомов, от которых отделились электроны. Отсутствие электрона в атоме полупроводника, то есть наличие в атоме положительного заряда, называется «дыркой». Электрон из соседней ковалентной связи может переместится на вакантное место той связи, из которой электрон улетел, а на его место может прийти другой соседний электрон и так далее. Перемещение, возможно, потому что дырка имеет положительный заряд и может притянуть к себе электрон из соседнего атома. Поочерёдное перемещение связанных электронов принято рассматривать как перемещение дырок в обратном направлении, такую проводимость называют дырочной. Однако в отличие от свободных электронов, дырочная проводимость значительно меньше, а направление их движения противоположно движению свободных электронов.

Процесс образования пар: электрон – дырка, протекающий в результате разрыва ковалентной связи называется генерацией. Одновременно с процессом генерации пар, в полупроводнике идёт процесс рекомбинации, то есть процесс соединения свободных электронов и дырок. В стационарном состоянии рекомбинация уравновешивает генерацию, то есть скорости этих процессов равны и зависят от концентрации электронов и дырок. Таким образом, в чистом полупроводнике при обычных условиях, проводимость, обусловленная наличием свободных электронов и дырок, значительно меньше проводимости металлов, так как в металлах число свободных электронов не меньше числа атомов, в то время как в чистом полупроводнике их число составляет 0,0000001% от общего числа атомов.

Чистые полупроводники, в полупроводниковых приборах практически не применяются, так как обладают малой проводимостью и не обеспечивают односторонней проводимости. Техническое применение получили полупроводники, в которых в зависимости от рода введенной примеси преобладает либо дырочная, либо электронная проводимость.

Если в кристаллическую решётку четырёх валентного германия ввести примесь атомов пятивалентного элемента, например сурьма или мышьяк, то четыре электрона примут участие в образовании связей с четырьмя соседними атомами, а пятый окажется избыточным, он слабо связан с атомом и легко становится свободным. При этом атом примеси превращается в положительный неподвижный ион. Увеличивая концентрацию свободных электронов, увеличивается вероятность рекомбинации, поэтому концентрация не основных дырок уменьшается. При нормальной температуре практически все атомы примеси превращаются в неподвижные ионы, а число свободных электронов значительно превышает число дырок, такой полупроводник остаётся химически нейтральным, основными носителями зарядов в таком полупроводнике являются электроны, поэтому он называется полупроводником «n»- типа, не основными носителями зарядами в нём являются дырки. Примеси, у которых атомы отдают электроны, называются донорами.

При введении примеси трёхвалентного элемента (алюминий), три валентных электрона каждого атома примеси, принимают участие в образовании только трёх ковалентных связей, а для четвёртой связи атом примеси забирает электрон из какой либо другой связи, образуя при этом дырку, при этом атом примеси превращается в отрицательно заряженный неподвижный ион. Таким образом, трёхвалентная примесь увеличивает количество дырок, что в свою очередь уменьшает концентрацию не основных электронов. Основными носителями заряда являются дырки, поэтому такой полупроводник называется «p»-типа, не основными заряда являются электроны. Вещества, которые отбирают электроны из атомов полупроводника, называются акцепторами.

Концентрация основных носителей определяется концентрацией примеси и практически не зависит от температуры, так как уже при комнатной температуре все атомы примеси ионизированы, а число основных носителей за счёт генерации пар электрон дырка с ростом температуры пренебрежительно мало, по сравнению с общим числом основных носителей.

В тоже время концентрация не основных носителей мала, и так как она обусловлена генерацией пар, то сильно зависит от температуры, и увеличивается примерно в «е» раз при повышении температуры на каждые 10 градусов.