Носители заряда в полупроводнике

2.1. Виды электропроводности полупроводников.

Принцип работы полупроводниковых приборов связан с тем, что в полупроводниках существует электропроводность двух видов – электронная и дырочная.

Электронная электропроводность обусловлена перемещением в одном направлении свободных электронов. При обычных рабочих температурах в чистых, беспримесных полупроводниках всегда есть электроны, которые очень слабо связаны с ядрами атомов, становятся свободными и совершают беспорядочное, хаотическое, тепловое движение между атомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием электрического поля могут начать двигаться в определенном направлении. Такое направленное движение и есть электрический ток.

Дырочная электропроводность является особенностью полупроводников и не наблюдается в металлах, т.е. в проводниковых материалах (проводниках).

В атоме полупроводника под влиянием чаще тепловых или других внешних воздействий один из валентных электронов может покинуть атом и стать свободным (рис.3). Тогда атом приобретает положительный заряд, но по величине равный отрицательному заряду электрона. Такой атом называется положительным ионом, а процесс превращения атома в ион – ионизацией.

В полупроводниках кристаллическая решетка прочна. Её ионы не передвигаются, а остаются на своих местах в узлах кристаллической решетки, т.е. являются неподвижными зарядами.

Отсутствие электрона на орбите атома полупроводника условно назвали дыркой. Этим подчеркивают, что в атоме не хватает одного электрона, т. е. образовалось свободное место – дырка. Дырки [3] ведут себя, как элементарные положительные заряды.

Возникновение дырки можно пояснить с помощью плоскостной модели полупроводника (рис.3). Один из электронов, участвующих в ковалентной связи, получив дополнительную энергию W >?W, становится электроном проводимости, т. е. свободным носителем заряда. Он может перемещаться между атомами кристаллической решетки, а при движении большого количества таких свободных электронов в одном направлении, они создают электрический ток. Его прежнее место теперь свободно. Это и есть дырка, изображенная на рис.3 светлым кружком.

При дырочной электропроводности под влиянием приложенной разности потенциалов перемещаются дырки, что эквивалентно перемещению положительных зарядов. Такой процесс показан на рис.4, где изображено для различных моментов времени несколько атомов, расположенных вдоль полупроводника.

Пусть в начальный момент времени (рис. 4, а) в крайнем атоме слева (номер 1) появилась дырка, вследствие того что из этого атома ушел электрон, т.е. стал свободным.

Атом с дыркой (он заштрихован) имеет положи­тельный заряд и может притянуть к себе электрон из соседнего атома номер 2.

Если в полупроводнике действует электрическое поле (разность потенциалов), то это поле стремится двигать электроны в направлении от отрицательного потенциала к положительному. Поэтому в следующий момент (рис.4,б) из атома 2 один электрон перейдет в атом 1 и заполнит дырку, а новая дырка образуется в атоме 2. Далее один электрон из атома 3 перейдет в атом 2 и заполнит в нем дырку. Тогда дырка возникнет в атоме 3 Рис. 4 (рис.4, в) и т.д.

Такой процесс будет продолжаться, и дырка перейдет из крайнего левого атома 1 в крайний правый под номером 6. Иначе говоря, первоначально возникший в атоме 1 положительный заряд перейдет в атом 6 (рис.4, е).

Как видно, при дырочной электропроводности в действительности тоже перемещаются электроны, но более ограниченно, т.е. пройденное расстояние меньше, чем при электронной электропроводности, когда электрон может двигаться в кристаллической решетке. Рис. 5

При дырочной электропроводности электроны переходят из данных атомов только в соседние. Результатом этого является перемещение положительных зарядов – дырок в направлении, противоположном движению электронов.

Электропроводность полупроводников может быть также объяснена их энергетической диаграммой (рис.5).

При температуре абсолютный ноль, т.е. Т = 0К = – 273ºС, полупроводник, не содержащий примесей, является диэлектриком, в нем нет электро­нов и дырок проводимости. Но при повышении температуры Т > 0К электропроводность полупроводника возрастает, так как электроны валентной зоны получают при нагреве дополнительную энергию[4] W = kT и за счет этого некоторое их количество преодолевает запрещенную зону и переходит из валентной зоны в зону проводимости. Этот переход показан на рис.6 сплошной стрелкой.

Ширина запрещенной зоны?W у полупроводников сравнительно невелика (для германия?W = 0,72 эВ, а для кремния?W = 1,12 эВ).

Таким образом, появляются электроны проводимости и возникает электронная электропроводность. Каждый электрон, перешедший в зону проводимости, оставляет в валентной зоне свободное место – дырку, т. е. в валентной зоне возникают дырки проводимости, число которых равно числу электронов, перешедших в зону проводимости. Следовательно, вместе с электронной создается и дырочная электропроводность.

2.2. Генерация и рекомбинация носителей заряда

. Электроны и дырки, которые могут перемещаться и поэтому создавать электропроводность, называют подвижными носителями заряда или просто носителями заряда.

Принято говорить, что под действием теплоты происходит генерация пар носителей заряда, т. е. возникают пары: электрон проводимости – дырка проводимости или пара – свободный электрон-дырка. Также генерация пар носителей может происходить под действием: света, ионизирующих излучений, электрического поля, магнитного поля, механических напряжений и других внешних воздействий.

Вследствие того что электроны и дырки проводимости совершают беспорядочное, хаотическое движение за счет тепла, обязательно происходит и процесс, обратный генерации пар носителей: электроны проводимости снова занимают свободные места в валентной зоне, т. е. объединяются с дырками. Такое исчезновение пар носителей называется рекомбинацией носителей заряда. Этому процессу соответствует показанный штриховой стрелкой на рис.5 переход электрона из зоны проводимости в валентную зону.

Процессы генерации и рекомбинации пар носителей всегда происходят одновременно. Рекомбинация ограничивает возрастание числа пар носителей, и при данной температуре устанавливается определенное число электронов и дырок проводимости, т. е. они находятся в состоянии динамического равновесия (число электронов равно числу дырок). Это означает, что генерируются все новые и новые пары носителей, а ранее возникшие пары рекомбинируют, т.е. исчезают, превращая ионы в нейтральные атомы.

2.3. Собственная проводимость полупроводника.

Чистый полупроводник, без примесей, называют собственным полупроводником или полупроводником i - типa. Буква i – от английского слова intrinsic – собственный.

Он обладает собственной электропроводностью, которая, как было показано, складывается из электронной и дырочной электропроводности – в создании тока участвуют и дырки и электроны.

При изучении принципа работы полупроводниковых приборов собственные полупроводники, т.е. чистые без примесей, изображают в виде прямоугольника с указанием типа проводимости – буквы i (рис.6).

Электрон Дырка Ион Si

Рис.6 Рис. 7

Структура собственного (чистого) полупроводника i - типа кремния приведена на рис.7. Она содержит нейтральные атомы, небольшое количество положительных ионов, возникших в процессе генерации пар носителей заряда, а также небольшое количество самих носителей заряда – электронов и дырок.

Если просуммировать все положительные и отрицательные, подвижные и неподвижные заряды, то алгебраическая сумма зарядов будет равна нулю. Вывод – в целом полупроводник заряда не имеет, хотя внутри полупроводника находятся разные по знаку заряды.

Удельная электрическая проводимость полупроводников зависит от концентрации носителей заряда, т. е. от их числа в единице объема, например в 1см³.

Будем обозначать концентрацию электронов и дырок соответственно буквами n и р – от слов negative (отрицательный) и positive (положительный).

Для чистого, т.е. собственного, полупроводника всегда n _i = p _i. Индекс i здесь указывает, что эти концентрации относятся к собственному полупроводнику i - типa.

В собственном полупроводнике при комнатной температуре число подвижных носителей заряда по отношению к общему числу атомов составляет около 10 ^{– 7} % для германия и около 10 ^{– 10} % для кремния. Поэтому удельная электрическая проводимость полупроводников очень мала, а удельное сопротивление по сравнению с проводниками велико.

Например, при комнатной температуре удельное сопротивление меди равно ρ = = 0,017·10 ^{– 4} Ом · см, а у германия ρ = 50 Ом·см и у кремния ρ = 100 000 Ом · см.

Чистые или что тоже самое собственные полупроводники, т.е. i - типa, из-за очень плохой проводимости электрического тока для изготовления полупроводниковых приборов применяются крайне редко.