Собственная электропроводность
Остановимся подробнее па процессе образования электронов проводимости в полупроводниках. Для конкретности дальнейших рассуждений рассмотрим кремнии, являющийся типичным полупроводником.
Атом кремния имеет порядковый номер в периодической системе Менделеева Z=14. Поэтому заряд ядра атома кремния равен +14 е и в состав его атома входит 14 электронов. Однако из них только четыре являются слабо связанными. Именно эти слабо связанные электроны участвуют в химических реакциях и обусловливают четыре валентности кремния, отчего они и получили название валентных электронов. Остальные десять электронов вместе с ядром составляют остов атома, имеющий заряд +14е—10е = +4е. Он окружен четырьмя валентными электронами, которые движутся вокруг остова и образуют облако отрицательного заряда (рис. 316).
В решетке кремния расположение атомов таково, что каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Упрощенная плоская схема расположения его атомов показана на рис.317.
|
|
Связь двух соседних атомов обусловлена парой электронов, образующих так называемую парно-электронную, или валентную, связь.
Картина, изображенная на рис. 317, соответствует чистому кремнию (о влиянии примесей будет сказано ниже) и очень низкой температуре. В этом случае все валентные электроны участвуют в образовании связей между атомами, являются структурными элементами и не участвуют в электропроводности.
При повышении температуры кристалла тепловые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей. В результате этого часть электронов, ранее участвовавших в образовании валентных связей, отщепляется и становится электронами проводимости. При наличии электрического поля они перемещаются против поля и образуют электрический ток.
Однако, кроме процесса переноса заряда с помощью электронов проводимости, возможен еще и другой механизм электропроводности. Он обусловлен тем, что всякий разрыв разрыв валентной связи приводит к появлению вакантного места с отсутствующей связью. Такие «пустые» места с отсутствующими электронами связи получили название «дырок» (рис. 318).
Легко видеть, что возникновение дырок в кристалле полупроводника создает дополнительную возможность для переноса заряда. Действительно, при наличии дырки какой-либо из электронов связи может перейти на место дырки. В результате на этом месте будет восстановлена нормальная связь, но зато появится дырка в другом месте. В эту новую дырку в свою очередь сможет перейти какой-либо из других электронов связи и т. д. Такой процесс будет происходить многократно, в результате чего в образовании тока будут принимать участие не только электроны проводимости, но и электроны связи, которые будут постепенно перемещаться, так же как и электроны проводимости, против электрического поля. Сами же дырки будут двигаться противоположно, в направлении электрического поля, т. е. так, как двигались бы положительно заряженные частицы (рис. 319).
|
|
Рассмотренный процесс получил название дырочной проводимости. Следовательно, в полупроводниках возможны два различных процесса электропроводности: электронный, осуществляемый движением электронов проводимости, и дырочный, обусловленный движением дырок.
На первый взгляд может показаться, что представление об электропроводности с помощью дырок является весьма искусственным и даже неоправданным, так как дырки, т. е. «пустые» места, естественно, не могут переносить электрический заряд, а в действительности, как мы видели, перенос заряда осуществляется перемещением электронов связи. Дело, однако, заключается в том, что движение электронов, как уже упоминалось выше, подчиняется законам не классической, а квантовой механики. А законы квантовой механики показывают, что если только концентрация дырок мала по сравнению с концентрацией электронов связи, то простые законы движения получаются лишь для дырок, но не для электронов связи. А именно, оказывается, что дырки в электрических и магнитных полях движутся так же, как двигались бы положительно заряженные частицы, обладающие зарядом + е и некоторой определенной массой (вообще не равной массе электрона). Поэтому и все электрические процессы при наличии дырок происходят так, как если бы наряду с отрицательными электронами проводимости имелись еще и положительно заряженные частицы - дырки.
Наряду с переходами электронов из связанного состояния в свободное существуют обратные переходы, при которых электрон проводимости улавливается на одно из вакантных мест электронов связи. Этот процесс называют рекомбинацией электрона и дырки. В состоянии равновесия устанавливается такая концентрация электронов (и равная ей концентрация дырок), при которой число прямых и обратных переходов и единицу времени ниш одинаково.
Рассмотренный процесс проводимости и совершенно чистых полупроводниках, лишенных вовсе химических примесей и других дефектов решетки, получил название собственной проводимости.
Примесная электропроводность полупроводников
При наличии примесей электропроводность полупроводников сильно изменяется. Укажем в качестве примера, что кремний с добавкой фосфора в количестве всего около 0,001 атомного процента имеет удельное сопротивление при комнатной температуре около 0,006 ом·м, т.е. его сопротивление уменьшается более чем в 100 000 раз по сравнению с совершенно чистыми кристаллами.
Такое влияние примесей вполне объясняется изложенными выше представлениями о строении полупроводников. Вернемся опять к конкретному примеру кремния и предположим, что в нем имеются атомы химической примеси, замещающие некоторые атомы кремния. В качестве примеси рассмотрим сначала какой-либо элемент пятой группы, например мышьяк. Атом мышьяка как элемент пятой группы имеет пять валентных электронов. Но для осуществления парно-электронных связей в решетке кремния, как мы видели, необходимы всего четыре электрона. Поэтому пятый электрон атома мышьяка оказывается связанным особенно слабо и может быть легко отщеплен при тепловых колебаниях решетки. При этом возникает один электрон проводимости, а атом мышьяка превращается в положительно заряженный ион. Образование же дырки не происходит. Подобный процесс схематически изображен на рис. 320, а.
Посмотрим теперь, как будет вести себя атом примеси какого-либо элемента, стоящего левее в периодической системе, нежели кремний; пусть это будет бор, стоящий в третьей группе. Атом бора имеет всего три валентных электрона, в то время как для нормальной валентной связи в решетке кремния необходимы четыре электрона. Недостающий четвертый электрон будет захвачен из соседних мест кристалла, в соответствующем месте образуется дырка, а атом бора превратится в отрицательный ион (рис. 320, а). Таким образом, и при наличии бора в кристалле кремния окажется возможным возникновение тока, но, в отличие от случая мышьяка, электрический ток здесь будет обусловлен движением дырок, а не электронов.
|
|
Следовательно, электропроводность полупроводников может быть обусловлена также примесями (примесная проводимость). Примеси, вызывающие появление электронов проводимости (например, мышьяк в кремнии), получили название донорных примесей, а примеси, вызывающие появление дырок (например, бор в кремнии), названы акцепторными.
Резюмируя сказанное, мы видим, что полупроводники обладают той особенностью, что электропроводность в них может быть обусловлена как подвижными электронами, так и дырками. Если концентрация электронов в полупроводнике значительно больше концентрации дырок, то мы говорим, что полупроводник имеет электронную проводимость, или проводимость n -типа (от negativ — отрицательный). Если же значительно преобладают положительные дырки, то электропроводность называется дырочной, или p – типа (от pozitiv — положительный). Носители заряда, представленные в большинстве (электроны в полупроводнике n -типа и дырки в полупроводнике p -типа), получили название основных носителей заряда, а представленные в меньшинстве — неосновных. Если же концентрации электронов и дырок сравнимы между собой, то мы имеем смешанную проводимость.
Так, например, кремний с примесью мышьяка при низких температурах имеет только примесную проводимость и является полупроводником n -типа. Основные носители заряда в нем — электроны, а неосновные — дырки. Последние возникают лишь в результате разрыва валентных связей и их количество при низких температурах мало. Но при увеличении температуры количество таких процессов увеличивается и появляется заметная собственная проводимость. При этом увеличивается и количество дырок, и электропроводность по типу делается смешанной. При достаточно высоких температурах примесная проводимость, напротив, делается гораздо меньше, нежели собственная, и концентрация дырок становится практически равной концентрации электронов.
|
|