Собственная и примесная проводимости полупроводников. Собственная и примесная проводимость полупроводников: особенности Что называют собственной проводимостью полупроводников

§ 3 Собственная проводимость полупроводников

• Внутренняя структура полупроводников.

К полупроводникам относится большое количество веществ, которые занимают по своим электрическим свойствам промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Для полупроводников j=1 2 ¸ 1 0 - 8 См/м (j - удельная электропроводимость). Для проводников j = 1 4 ¸ 1 0 3 См/м; для диэлектриков j < 10 -12 См/м. Важнейшим свойством и признаком полупроводников является зависимость их электрических свойств от внешних условий Т , Е , р и т.д. Характерная особенность полупроводников заключается в уменьшении их удельного сопротивления с увеличением температуры. Для полупроводников характерно кристаллическое строение с ковалентной связью между атомами.

• Собственная проводимость полупроводников.

Под действием внешних факторов некоторые валентные электроны атомов приобретает энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей.

Выход из ковалентной связи электрона на энергетической диаграмме соответствует переходу из валентной зоны в зону проводимости. При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает как бы свободное место, обладающее элементарным положительным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона. Такое освободившееся в электронной связи место условно назвали дыркой, а процесс образования пары получил название генерация зарядов . Дырка, обладая положительны зарядом, присоединяет к себе электрон соседней заполненной ковалентной связи. В результате этого восстанавливается одна связь (этот процесс называется рекомбинацией ) и разрушается соседняя. Тогда можно говорить о перемещении положительного заряда - дырки по кристаллу. Если на кристалл действует электрическое поле, движение электронов и дырок становится упорядоченным и в кристалле возникает электрический ток. При этом дырочную проводимость называют проводимостью р -типа (positive - положительный), а электронную проводимостью n -типа (negative - отрицательной).

В химически чистом кристалле полупроводник (число примесей 10 16 м -3), число дырок всегда равно числу свободных электронов и электрический ток в нем образуется в результате одновременного переноса заряда обоих знаков. Такая электронно-дырочная проводимость называется собственной проводимостью полупроводника.

j = j n + j p

j - плотность тока электронов (n ) и дырок (р ).

В собственном полупроводнике уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны. Так как энергия активации , равная ширине запрещенной зоны идет на перевод электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости и одновременно на появление дырки в валентной зоне. Т.е. энергия, затраченная на образование пары носителей тока делится на две равные части, и таким образом начало отсчета для каждого из этих процессов (переход электрона на рождение дырки) должно находится в середине запрещенной зоны.

Количество электронов, перешедших в зону проводимости и количество образовавшихся дырок ~

таким образом, удельная проводимость собственных полупроводников

γ - постоянная, определяемая видом вещества.

Т.е. с увеличением Т γ увеличивается, так как с точки зрения зонной теории возрастает число электронов, которые в следствии теплового возбуждения переходят в зону проводимости.

,

т.е.

По наклону линии lnγ можно определить ширину запрещенной зоны D E .

§ 4 Примесная проводимость полупроводников

В полупроводниках, содержащих примесь, электропроводимость слагается из собственной и примесной.

Проводимость , вызванная присутствием в кристалле полупроводника примесей из атомов с иной валентностью называется примесной. Примеси, вызывающие в полупроводнике увеличение свободных электронов, называются донорными, а вызывающие увеличение дырок - акцепторными .

Различное действие примесных атомов объясняется следующим образом. Предположим, что в кристалл германия (Ge 4+ ) атомы которого имеют 4 валентных электрона, введем пятивалентный мышьяк As 5+ . В этом случае атомы мышьяка своими 4-я из пяти валентными электронами вступают в связь. 5-й валентный электрон мышьяка окажется не связанным, т.е. становится свободным электроном. Полупроводник, электропроводимость которых повысилась благодаря образованию избытка свободных электронов при введении примеси, называются полупроводниками с электронной проводимостью (полупроводник n -типа), а примесь донорной (отдающей электрон).

Введение в 4-х валентный полупроводник 3-х валентного элемента, например (In 3+ ) индия приводит, наоборот, к избытку дырок над свободными электронами. В этом случае ковалентные связи не будут полностью завершены и образовавшиеся дырки могут перемещаться по кристаллу, создавая дырочную проводимость. Полупроводники, электропроводимость которых обусловлена в основном движением дырок, называется полупроводниками с дырочной проводимостью или полупроводниками р -типа, а примесь - акцепторной (захватывающие электрон из ковалентной связи или из валентной зоны). Энергетические уровни этих примесей называются акцепторными уровнями - расположены над валентной зоной.

Энергетические уровни донорных примесей называются донорными уровнями - расположены под нижним уровнем зоны проводимости.

В примесных полупроводниках носители заряда бывают основными (электроны в проводнике n -типа) и не основными (дырки в полупроводнике р -типа, электроны в полупроводнике n -типа).

Наличие примесных уровней в полупроводниках существенно изменяет положение уровня Ферми Е F . В полупроводнике n -типа при Т = 0 К Е F расположен посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем. С возрастанием Т все большее число электронов переходит с донорного уровня в зону проводимости, но из-за теплового возбуждения часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости. Поэтому с возрастанием Т уровень Ферми смещается вниз к середине запрещенной зоны.

У полупроводников р -типа при Т = 0 К , Е F посередине между акцепторным уровнем и потолком валентной зоны. С возрастанием Т Е F смещается к середине запрещенной зоны.

Зависимость проводимости полупроводников от температуры имеет вид, показанный на рисунке (подробнее смотрите лабораторную работу 8.6.).

Полупроводники́ - материалы, по своей удельной проводимости занимающие промежуточное место между проводниками и диэлектриками. В природе они существуют в виде элементов(4,5,6 групп), например, Si, Ge, As, Se, и химических соединений сульфидов, оксидов и т.д.

Различают собственные (чистые) и примесные полупроводники.

При нагревании до температуры Т >0 К, а также освещении или облучении электронные (ковалентные) связи могут разрываться что приводит к образованию свободных электронов.В месте разрыва ковалентной связи возникает вакантное для электрона место - дырка, которая соответствует положительному заряду. Дырку могут занять либо электроны соседних ковалентных связей, либо свободный электрон. Вследствие этого она начинает перемещаться по кристаллу. С увеличением температуры возрастает число свободных электронов (больше разрывается связей) и соответственно дырок.

При создании в таком полупроводнике электрического поля включением его в электрическую проводящую цепь возникнет направленное перемещение электронов и дырок, то есть пойдет электрический ток.

Таким образом, в чистых полупроводниках при обычных условиях всегда есть равное число свободных электронов и дырок, которые и обусловливают собственную электропроводность полупроводника. Собственная проводимость - проводимость собственных(чистых) полупроводников(Ge, Se, GaAs).

С точки зрения квантовой (зонной) теории полупроводники имеют, кроме валентной зоны (I) и зоны проводимости (3). запрещенную зону (2), значения энергии которой электроны иметь не могут.

При T = 0 К валентная зона полностью заполнена электронами и, ширина запрещенной зоны, невелика, энергетические уровни зоны проводимости свободны. Если электроны получают энергию при нагревании полупроводника или энергию электромагнитного поля, при облучении светом или радиоактивными излучениями, то электроны способны перейти в зону проводимости (рис 3) становясь свободными. При этом в валентной зоне возникают дырки Полупроводник способен проводить ток, носителями которою будут электроны и дырки. Противоречий между классическими представлениями и квантовыми нет.

Итак, ток собственной проводимости полупроводника складывается из тока электронов и дырок.

Примесная проводимость полупроводников

В зависимости от природы примеси примесная проводимость может быть двух типов: n-типа - электронная, р-типа - дырочная. Проводимость n-типа образуется в случае, когда к основному полупроводнику (например, кремнию) прибавляется небольшое количество примеси, имеющей большую валентность (например, мышьяк). Тогда при построении кристаллической решетки у атома примеси будет лишний электрон. К электронам собственной проводимости добавятся электроны примеси. Но этой причине концентрация электронов будет значительно больше, чем дырок. Основными носителями тока будут электроны (их много), а неосновными - дырки (их мало). Такая проводимость примесного полупроводника получила название n-типа (электронная), так как примесь является донором (поставщиком) электронов. В случае, когда примесь имеет меньшую валентность, чем основной полупроводник (например, кремний Si) с бором B , то при построении решетки у атомов бора не будет хватать одного электрона. Появится незаполненная связь дырка. В примесном полупроводнике концентрация дырок будет значительно больше, чем электронов. Такой тип примесной проводимости назвали p-типом (дырочная) , так как примесь является собирателем (акцептором) электронов. Наличие даже небольшого количества примеси увеличивает проводимость полупроводника в миллионы раз, поэтому ток в примесном полупроводнике образуется в основном либо электронами, либо дырками.

Квантовая теория объясняет образование примесных полупроводников различными положениями энергетических уровней доноров и акцепторов (примесей) по отношению к валентной зоне (1) проводимости (3) в кристалле полупроводника. Энергетические уровни донора близки к уровням зоны проводимости. Электроны легко переходят в неё, не образуя в валентной зоне дырок. Основными носителями будут электроны(n-тип). Энергетические уровни акцептора лежат, ближе к валентной зоне, поэтому электронам валентной зоны легко перейти из нее, образуя в ней дырки. Основными носителями будут дырки (проводимость р-типа).

Полупровдниковые диоды

В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. При контакте двух полупроводников n- и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 1.14.1). Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p- и n-областями запирающее напряжение U з

n–p-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.

Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p- и n- типов

Если полупроводник с n–p-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от n–p-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через n–p-переход практически не идет. Напряжение, поданное на n–p-переход в этом случае называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-области и дырок в n-области.

Если n–p-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать n–p-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через n–p-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Способность n–p-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами . Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный.

Электропроводность п-р -перехода сильно зависит от температуры, поэтому обратный ток с повышением температуры увеличивается:

Таким образом, n-p переход обладает односторонней электропроводностью. Это его основное свойство, которое положено в основу устройства и принципа действия полупроводниковою диода.

Диод представляет собой электронно-дырочный переход, защищенный от действия света и электромагнитных излучений металлическим кожухом и имеющий радиатор для температурной стабилизации.

Плюсы: высокий кпд(98%), длительный срок службы, прочность.

Минусы: зависимость от температуры.

Проводимость химически чистых полупроводников называется собственной проводимостью, а сами полупроводники - собственными полупроводниками, В чистом полупроводнике число свободных электронов и дырок одинаково. Под действием приложенного к полупроводнику напряжения скорость направленного движения свободных электронов в нем больше, чем дырок. Поэтому сила тока электронной проводимостью I э больше силы тока дырочной проводимостью I д. Общий ток в полупроводнике I = I э + I д .

Собственная проводимость полупроводника увеличивается с повышением температуры. При неизменной температуре наступает динамическое равновесие между процессом образования дырок и рекомбинаций электронов и дырок. При таком условии количество электронов проводимости и дырок в единице объема сохраняется постоянным.

На проводимость полупроводников сильно влияет наличие в них примесей. При введении в полупроводник некоторых примесей можно получить сравнительно большое количество свободных электронов при малом числе "дырок" или, наоборот, большое количество "дырок" при очень малом числе свободных электронов. Проводимость проводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники - примесными полупроводниками. Примеси, легко отдающие свои электроны основному полупроводнику и, следовательно, увеличивающие в нем число свободных электронов, называются донорными (отдающими) примесями. В качестве таких примесей используются элементы, атомы которых имеют большее количество валентных электронов, чем атомы основного полупроводника. Так, по отношению к германию донорными являются примеси мышьяка, сурьмы.

Для получения в германии примеси мышьяка их смешивают и расплавляют. Германий - четырехвалентный элемент. Мышьяк - пятивалентный. При затвердевании в узле кристаллической решетки германия происходит замещение атома германия атомом мышьяка. Электроны последнего образуют прочные ковалентные связи с четырьмя соседними атомами германия (рис. 102, а). Оставшийся пятый валентный электрон мышьяка, не участвующий в парноэлектронных связях, продолжает двигаться вокруг атома мышьяка. Вследствие того что диэлектрическая проницаемость германия ε = 16 , сила притяжения электрона к ядру уменьшается, размеры орбиты электрона увеличиваются в 16 раз; энергия связи его с атомом уменьшается в 256 раз (т. е. в ε 2 раз), и энергии теплового движения становится достаточно для отрыва от атома этого электрона. Он начинает свободно перемещаться в решетке германия, превращаясь таким образом в электрон проводимости.

Атом мышьяка, находясь в узле кристаллической решетки германия, потеряв электрон, становится положительным ионом.

Он прочно связан с кристаллической решеткой германия, поэтому в образовании тока участия не принимает.

Энергия, необходимая для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости (см. рис. 96), называется энергией активизации. У примесных носителей тока она обычно во много раз меньше, чем у носителя тока основного полупроводника. Поэтому при незначительном нагревании, освещении освобождаются главным образом электроны атомов примеси. На месте ушедшего электрона в атоме донора образуется дырка. Однако перемещения электронов в дырки почти не наблюдается, т. е. дополнительная дырочная проводимость, создаваемая донором, очень мала. Это объясняется следующим. По причине небольшого количества атомов примеси ее электроны проводимости редко оказываются рядом с дыркой и не могут ее заполнить. А электроны атомов основного полупроводника хотя и находятся вблизи дырок, но не в состоянии их занять ввиду своего гораздо более низкого энергетического уровня.

Небольшое добавление донорной примеси делает число свободных электронов проводимости в тысячи раз больше, чем число свободных электронов проводимости в чистом полупроводнике при тех же условиях. В полупроводнике с донорной примесью основными носителями заряда являются электроны. полупроводниками n-типа .

Примеси, захватывающие электроны у основного полупроводника и, следовательно, увеличивающие в нем число дырок, называются акцепторными (принимающими) примесями. В качестве таких примесей используются элементы, атомы которых имеют меньшее количество валентных электронов, чем атомы основного полупроводника. Так, по отношению к германию акцепторными являются примеси индия, алюминия.

Для получения в германии примеси индия их смешивают и расплавляют. Германий - четырехвалентный элемент. Индий - трехвалентный. Для образования ковалентных связей с четырьмя ближайшими соседними атомами германия у атома индия не хватает одного электрона. Индий его заимствует у атома германия (рис. 102, б). Для этого электронам атомов германия нагреванием сообщается энергия, достаточная только для разрыва ковалентной связи, после чего освободившиеся электроны захватываются атомами индия. Будучи не свободными, эти электроны не участвуют в образовании тока. Атомы индия становятся отрицательными ионами, они прочно связаны с кристаллической решеткой германия, поэтому в образовании тока участия не принимают.

На месте ушедшего из атома германия электрона образуется дырка, которая является свободным носителем положительного заряда. Эта дырка может быть заполнена электроном А из соседнего атома германия и т. д. В полупроводнике с акцепторной примесью основными носителями заряда являются дырки. Такие полупроводники называются полупроводниками р-типа.

Таким образом, в отличие от собственной проводимости, осуществляющейся одновременно электронами и дырками, примесная проводимость полупроводника обусловлена в основном носителями одного знака: электронами в случае донорной примеси и дырками в случае акцепторной примеси. Эти носители заряда в примесном полупроводнике являются основными. Кроме них в таком полупроводнике содержатся неосновные носители: в электронном полупроводнике - дырки, в дырочном полупроводнике - электроны. Концентрация их значительно меньше концентрации основных носителей.

Собственная проводимость

Рассмотрим квантовую теорию проводимости различных веществ. Напомним, что проводимостью называется способность носителей заряда осуществлять направленное движение согласно приложенному электрическому полю (носителей отрицательного заряда против поля, положительного заряда – по полю). В случае полупроводниковых веществ возможны два типа проводимости в зависимости от чистоты химического состава вещества.

Различают собственные и примесные полупроводники. К числу собственных относятся химически чистые полупроводники, то есть такие полупроводники, в состав которых входят атомы (или молекулы) только одного вида и отсутствуют посторонние включения. В таких полупроводниках наблюдают только собственную проводимость .

Собственная проводимость возникает при переходе электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости в случае получения им дополнительной достаточной энергии, которая равна (или несколько больше) ширине запрещенной зоны E g . Данную энергию, как уже говорилось в лекции 9, электрон может получить в результате тепловых колебаний решетки или под действием кванта света hν .

Рис. 12.1. Собственная проводимость полупроводника

Так как энергия тепловых колебаний, как правило, значительно меньше энергии кванта света, то какая именно энергия спровоцирует появление проводимости, зависит от ширины запрещенной зоны кристалла. Переход электрона в зону проводимости соответствует рождению двух свободных частиц : электрона, энергия которого оказывается равной одному из разрешенных значений из зоны проводимости, а также дырки, энергия которой равна одному из значений валентной зоны. Эти частицы являются носителями тока, причем вклад в проводимость вносят как электроны, так и дырки. Если приложить разность потенциалов к такому кристаллу, и электроны и дырки смогут двигаться вдоль всего образца. Это явление уже рассмотрено во второй лекции, оно называется внутренним фотоэффектом.

Можно найти электропроводность данного вещества. Для этого воспользуемся распределением электронов и дырок по энергиям (см. раздел 10). Так как электроны и дырки являются фермионами, т.е. частицами с полуцелым спином, это означает, что они подчиняются статистике Ферми-Дирака:

(12.1)

Параметр E F носит название энергии Ферми . Уровень Ферми – это виртуальный уровень, который соответствует середине между всеми занятыми и всеми свободными состояниями при условии, что тех и других имеется одинаковое количество. В идеале все свободные уровни располагаются выше уровня Ферми, все занятые – ниже. Однако в реальных кристаллах свободный уровень может оказаться ниже уровня Ферми, если выше уровня Ферми найдется занятый электроном уровень. Для металлов уровень Ферми находится в зоне проводимости. Для собственных (т.е. чистых) полупроводников энергия Ферми при комнатной температуре соответствует приблизительно середине запрещенной зоны, следовательно:

(12.2)

где E g – ширина запрещенной зоны.

Количество электронов, перешедших в зону проводимости (равно как и дырок, оставшихся в валентной зоне), будет пропорционально вероятности того, что электрон обладает соответствующей энергией:

Проводимость, очевидно, зависит от числа свободных носителей тока, то есть оказывается также пропорциональна функции f(E) :

(12.4)

или (12.5)

Видно, что электропроводность собственных полупроводников экспоненциально растет с температурой (рис. 12.2). Измерив электропроводность полупроводника при различных температурах, можно определить ширину запрещенной зоны. В полулогарифмических координатах (как на рис. 12.2) тангенс угла наклона прямой будет пропорционален E g .

Рис. 12.2. Зависимость электропроводности

собственного полупроводника от температуры

Напомним, что электропроводность металлов линейно уменьшается с ростом температуры. Такое отличие объясняется тем, что природа проводимости в полупроводниках и металлах принципиально различна.

Примесная проводимость

Электрические и оптические свойства примесных полупроводников зависят от природных или искусственно введенных примесей. Разумеется, для эффективного управления свойствами материала необходим строгий контроль количества примеси в составе вещества, такое контролируемое введение примеси называется легированием . Создание заданной концентрации примеси – довольно сложная, но выполнимая задача. Следует понимать, что в составе некоторых веществ неизбежно присутствует какое-то количество природной примеси. В таких случаях ее влияние на оптические и электрические свойства материала необходимо изучать и впоследствии учитывать.

Рассмотрим механизм примесной проводимости на примере классических полупроводников Ge , и Si . Оба элемента являются четырехвалентными, а атомы в кристалле связаны ковалентными силами. Это означает, что каждый атом в решетке окружен четырьмя такими же атомами и связан с ними, имея общую пару электронов.

Рис. 12.3. Сведенное в плоскость изображение кристаллической решетки

идеального 4-валентного кристалла

Если кристалл идеальный, то все связи вокруг атома являются насыщенными – не имеющими свободных мест, а свободных электронов в пространстве между атомами нет (рис. 12.3).

Предположим, что в кристалл вместо одного из основных атомов попал атом, валентность которого на единицу больше (атом фосфора P в кристалле Ge ). 4 из 5 электронов фосфора распределятся между соседними атомами германия, а пятый электрон будет держаться рядом за счет довольно слабой связи (рис. 12.4).

Рис. 12.4. Сведенное в плоскость изображение кристаллической решетки

Ge с 5-валентной примесью фосфора

Эту связь легко нарушить нагреванием кристалла или при его освещении. Оторванный электрон будет свободным и при подаче разности потенциалов сможет двигаться в соответствующую сторону. Примесь, которая добавляет в кристалл свободные электроны, называется донорной .

На энергетической схеме донорной примеси будет соответствовать уровень, расположенный на некотором расстоянии от дна зоны проводимости. Расстояние между уровнем примеси и зоной проводимости пропорционально энергии E примес , которая необходима для отрыва примесного электрона от материнского атома, т.е. для перевода электрона в свободное состояние (рис. 12.6 а). Факт отрыва электрон от своего атома и перехода его в свободное состояние означает переход электрона в зону проводимости. Донорный уровень, освободившийся при этом, впоследствии может на какое-то время захватить любой свободный электрон – то есть оборванная связь фосфора может служить кратковременным хранилищем электронов.

Итак, в результате получаем электрон проводимости, и в отличие от собственной проводимости (см. выше), свободная дырка не образуется. В регистрируемый ток в этом случае вклад будут вносить преимущественно электроны, которые являются в таком полупроводнике основными носителями заряда, а дырки – неосновными. Тип проводимости в таком кристалле называется электронным или n -типа, и сам кристалл получает статус кристалла с электронной проводимостью или кристалл n -типа.

Если же в четырехвалентный кристалл ввести трехвалентную примесь, то одна из четырех связей атома, расположенного рядом с примесью, будет ненасыщенной из-за отсутствия 4-го электрона (рис. 12.5). Такое вакантное место (дырка) легко захватывает электрон из соседнего узла – это соответствует переходу дырки в свободное состояние.

Рис. 12.5. Сведенное в плоскость изображение кристаллической решетки

Si с 3-валентной примесью бора

При подаче на кристалл разности потенциалов дырка перемещается так же как электрон проводимости, только в противоположную сторону. Таким образом, кристалл с примесью указанного типа будет иметь дырочный тип проводимости или называться кристаллом p -типа. На энергетической схеме появление примеси, которая в данном случае называется акцепторной , отразится возникновением уровня в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны выше на E примес . На этот уровень будет захватываться электрон с занятого уровня в валентной зоне, в которой при этом будет оставаться свободная дырка (рис. 12.6 б).

Рис. 12.6. Примесная проводимость: а) электронная, б) дырочная

Очевидно, что в кристаллах с p-типом проводимости свободными являются только дырки, свободных электронов не появляется без дополнительно сообщенной энергии. Дырки являются основными носителями заряда, а электроны – неосновными. Следовательно, ток будет представлять собой упорядоченное движение преимущественно дырок (направление их движения совпадает с направлением тока).

Специфика донорной и акцепторной примесей такова, что их уровни на энергетической схеме могут располагаться относительно зон только определенным образом: донорные примеси дают уровни в верхней части запрещенной зоны, акцепторные – в нижней. Появление примеси в составе кристалла приводит к изменению положения уровня Ферми (см. выше).

В частности для кристалла с донорной примесью уровень E F поднимается вверх, для кристалла с акцепторной примесью – сдвигается вниз (рис. 12.6). Уровень Ферми является важной характеристикой полупроводника, в частности без использования этого понятия не обходится теория p-n переходов.

Добавим, что при получении кристалла с примесной проводимостью в качестве вводимой примеси можно использовать атомы и других валентностей. Тогда разница валентностей показывает, сколько свободных носителей заряда (электронов или дырок) вносит в кристалл каждый атом примеси.

Для получения высоких показателей электропроводности материала необходимо наличие в образце высокой концентрации носителей заряда (количества носителей заряда на единицу объема кристалла). Этого добиваются путем контролируемого введения примеси требуемого типа. Современные технологии позволяют учитывать количество введенных атомов буквально поштучно. Измерить концентрацию носителей заряда, а также определить их тип (электрон или дырка) можно с помощью эффекта Холла (см. курс электромагнетизма).

В общем случае проводимость полупроводникового материала складывается из собственной и примесной проводимости:

(12.6)

Примесная проводимость имеет также, как и собственная, экспоненциальную зависимость от температуры.

(12.7)

При низких сравнительно температурах основную роль играет примесная проводимость (рис.12.7 участок I). По наклону прямой зависимости проводимости от температуры в полулогарифмических координатах можно определить энергию активации примеси E примес , т.к. tgα прим пропорционален глубине залегания уровня примеси в запрещенной зоне.

При повышении температуры, когда все атомы примеси уже задействованы, в некотором интервале температур проводимость остается постоянной (рис.12.7 участок II).

Рис. 12.7. Зависимость электропроводности полупроводника от температуры

Начиная с температуры активации собственной проводимости, опять наблюдается снижение сопротивления материала (рис.12.7 участок III). Тангенс угла наклона соответствующего участка tgα соб пропорционален энергии активации собственной проводимости полупроводника, т.е. ширине его запрещенной зоны.

6. . 7. . 8. .

Полупроводники - это вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличием примесей, изменением освещенности. По этим свойствам они разительно отличаются от металлов. Обычно к полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5-2 эВ. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объяснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительнго иона. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон. Далее, в результате переходов связанных электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном - «дырки». Внешне этот процесс хаотического перемещения связанных электронов воспринимается как перемещение поло-жительного заряда. При помещении кристалла в элек¬трическое поле возникает упорядоченное движение «дырок» - дырочный ток проводимости.

В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается.

На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь - это примесь с большей, чем у кристалла, валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуются дополнительные свободные электроны. Именно поэтому примесь называется донорной. Преобладает электронная проводимость, а полупроводник называют полупроводником n-типа . Например, для кремния с валентностью n = 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторная примесь - это примесь с меньшей чем у кристалла валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Преобладает «дырочная» проводимость, а полупроводник называют полупроводником p-типа . Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью n = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р-n-перехода . При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов р-типа и n-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из n-области в p-область, а «дырок» - наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечным во времени, так как образуется запирающий слой , который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок».

р-n-Контакт полупроводников, подобно вакуумному диоду, обладает односторонней проводимостью: если к р-области подключить «+» источника тока, а к n-области «-» источника тока, то запирающий слой разрушится и р-n-контакт будет проводить ток, электроны из n-области пойдут в p-область, а «дырки» из p-области в n-область (рис. 22). В первом случае ток не равен нулю, во втором - ток равен нулю. Это означает, что если к р-области подключить «-» источника, а к n-области - «+» источника тока, то запирающий слой расширится и тока не будет.

Полупроводниковый диод состоит из контакта двух полупроводников р- и n-типа. Полупроводниковые диоды имеют небольшие размеры и массу, длительный срок службы, высокую механическую прочность, высокий коэффициент полезного действия; их недостатком является зависимость сопротивления от температуры.

В радиоэлектронике применяется также еще один полупроводниковый прибор: транзистор , который был изобретен в 1948 г. В основе триода лежит не один, а два р-n-перехода. Основное применение транзистора - это использование его в качестве усилителя слабых сигналов по току и напряжению, а полупроводниковый диод применяется в качестве выпрямителя тока.

После открытия транзистора наступил качественно новый этап развития электроники - микроэлектроники, поднявший на качественно иную ступень развитие электронной техники, систем связи, автоматики. Микроэлектроника занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов - транзисторов, диодов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе. В результате этого процесса на одном кристалле одновременно создается несколько тысяч транзисторов, конденсаторов, резисторов и диодов, до 3500 элементов. Размеры отдельных элементов микросхемы могут быть 2-5 мкм, погрешность при их нанесении не должна превышать 0,2 мкм. Микропроцессор современной ЭВМ, размещенный на. кристалле кремния размером 6x6 мм, содержит несколько десятков или даже сотен тысяч транзисторов.

Однако в технике применяются также полупроводниковые приборы без р-n-перехода. Например, терморезисторы (для измерения температуры), фоторезисторы (в фотореле, аварийных выключателях, в дистанционных управлениях телевизорами и видео-магнитофонами) .