Электрический ток в полупроводниках

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

 

Полупроводник -

 

- вещество, у которого  удельное сопротивление может  изменяться в широких пределах  и очень быстро убывает с  повышением температуры., а это  значит, что электрическая проводимость (1/R ) увеличивается.

- наблюдается у кремния,  германия, селена и у некоторых  соединений.

 

Механизм проводимости у  полупроводников 

 

Кристаллы полупроводников  имеют атомную кристаллическую  решетку, где внешние электроны  связаны с соседними атомами  ковалентными связями.

 При низких температурах  у чистых полупроводников свободных  электронов нет и он ведет  себя как диэлектрик.

 

 

 

 

 

Полупроводники чистые (без  примесей)

 

 Если полупроводник  чистый( без примесей), то он обладает  собственной проводимостью? которая  невелика.

 

 Собственная проводимость  бывает двух видов:

 

1) электронная ( проводимость "n " - типа)

 

При низких температурах в  полупроводниках все электроны  связаны с ядрами и сопротивление  большое; при увеличении температуры  кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают  свободные электроны - сопротивление  уменьшается.

 Свободные электроны  перемещаются противоположно вектору  напряженности эл.поля.

 Электронная проводимость  полупроводников обусловлена наличием  свободных электронов.

 

2) дырочная ( проводимость " p" - типа )

 

При увеличении температуры  разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места  с недостающим электроном - "дырка".

 Она может перемещаться  по всему кристаллу, т.к. ее  место может замещаться валентными  электронами. Перемещение "дырки"  равноценно перемещению положительного  заряда.

 Перемещение дырки  происходит в направлении вектора  напряженности электрического поля.

 

Кроме нагревания , разрыв ковалентных  связей и возникновение собственной  проводимости полупроводников могут  быть вызваны освещением ( фотопроводимость ) и действием сильных электрических  полей

 

 

 

 

 

Общая проводимость чистого  полупроводника складывается из проводимостей "p" и "n" -типов 

 и называется электронно-дырочной  проводимостью. 

 

 

Полупроводники при наличии  примесей

 

- у них существует собственная  + примесная проводимость

 Наличие примесей сильно  увеличивает проводимость.

 При изменении концентрации  примесей изменяется число носителей  эл.тока - электронов и дырок.

 Возможность управления  током лежит в основе широкого  применения полупроводников. 

 

Существуют:

 

1) донорные примеси ( отдающие )

 

- являются дополнительными  поставщиками электронов в кристаллы  полупроводника, легко отдают электроны  и увеличивают число свободных  электронов в полупроводнике.

 Это проводники " n " - типа, т.е. полупроводники с донорными  примесями, где основной носитель  заряда - электроны, а неосновной - дырки.

 Такой полупроводник  обладает электронной примесной  проводимостью.

 

 

 

 

 Например - мышьяк.

 

2) акцепторные примеси  ( принимающие )

 

- создают "дырки" , забирая  в себя электроны.

 Это полупроводники " p "- типа, т.е. полупроводники с  акцепторными примесями, где основной  носитель заряда - дырки, а неосновной - электроны.

 Такой полупроводник  обладает дырочной примесной  проводимостью.

 

 

 

 

 Например - индий.

 

 

Электрические свойства "p-n" перехода

 

"p-n" переход (или электронно-дырочный  переход) - область контакта двух  полупроводников, где происходит  смена проводимости с электронной  на дырочную (или наоборот).

 

 В кристалле полупроводника  введением примесей можно создать  такие области. В зоне контакта  двух полупроводников с различными  проводимостями будет проходить  взаимная диффузия. электронов и  дырок и образуется запирающий  электрический слой.Электрическое  поле запирающего слоя препятствует  дальнейшему переходу электронов  и дырок через границу. Запирающий  слой имеет повышенное сопротивление  по сравнению с другими областями  полупроводника.

 

 

 

 Внешнее электрическое  поле влияет на сопротивление  запирающего слоя.

 При прямом (пропускном) направлении внешнего эл.поля  эл.ток проходит через границу  двух полупроводников.

 Т.к. электроны и  дырки движутся навстречу друг  другу к границе раздела, то  электроны, переходя границу,  заполняют дырки. Толщина запирающего  слоя и его сопротивление непрерывно  уменьшаются.

 

 

 

 Пропускной режим р-n перехода:

 

 При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического  поля электрический ток через  область контакта двух полупроводников  проходить не будет.

 Т.к. электроны и  дырки перемещаются от границы  в противоположные стороны, то  запирающий слой утолщается, его  сопротивление увеличивается.

 

Запирающий режим р-n перехода:

 

 

 

 

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней  проводимостью.

 

 

Полупроводниковые диоды

 

Полупроводник с одним "p-n" переходом называется полупроводниковым  диодом.

 

При наложении эл.поля в  одном направлении сопротивление  полупроводника велико,

 в обратном - сопротивление  мало.

 

 

 

 Полупроводниковые диоды  основные элементы выпрямителей  переменного тока.

 

 

Полупроводниковые транзисторы

 

- также используются свойства" р-n "переходов,

 

 

 

 

- транзисторы используются  в схемотехнике радиоэлектронных  приборов.

 

 

2) По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное место между хорошими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры. Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает (см. рис. 4.12.4). У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами (рис. 4.13.1). 1

Рисунок 4.13.1. Зависимость  удельного сопротивления ρ чистого  полупроводника от абсолютной температуры T.

 

 

Такой ход зависимости  ρ(T) показывает, что у полупроводников  концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается  с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить  в рамках модели газа свободных электронов. Рассмотрим качественно этот механизм на примере германия (Ge). В кристалле  кремния (Si) механизм аналогичен. Атомы  германия имеют четыре слабо связанных  электрона на внешней оболочке.

 

Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле  германия является ковалентной, то есть осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит  двум атомам (рис. 4.13.2). Валентные электроны  в кристалле германия гораздо  сильнее связаны с атомами, чем  в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной  температуре в полупроводниках  на много порядков меньше, чем у  металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании  связей. Такой кристалл электрического тока не проводит. 2

Рисунок 4.13.2. Парно-электронные  связи в кристалле германия и  образование электронно-дырочной пары.

 

 

При повышении температуры  некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную  для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут  свободные электроны (электроны  проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти  вакансии получили название «дырок». Вакантное  место может быть занято валентным  электроном из соседней пары, тогда  дырка переместиться на новое  место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу  времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар.

 

В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается  электронная связь между атомами  германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при  освещении полупроводника за счет энергии  электромагнитного излучения. В  отсутствие электрического поля электроны  проводимости и дырки участвуют  в хаотическом тепловом движении. Если полупроводник помещается в  электрическое поле, то в упорядоченное  движение вовлекаются не только свободные  электроны, но и дырки, которые ведут  себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов: I = In + Ip.

 

 

 

  Концентрация электронов  проводимости в полупроводнике  равна концентрации дырок: nn = np. Электронно-дырочный  механизм проводимости проявляется  только у чистых (то есть без  примесей) полупроводников. Он называется  собственной электрической проводимостью  полупроводников. При наличии  примесей электропроводимость полупроводников  сильно изменяется. Например, добавка  примесей фосфора в кристалл  кремния в количестве 0,001 атомного  процента уменьшает удельное  сопротивление более чем на  пять порядков. Такое сильное  влияние примесей может быть  объяснено на основе изложенных  выше представлений о строении  полупроводников.

 

Необходимым условием резкого  уменьшения удельного сопротивления  полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла. Проводимость полупроводников  при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают  два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости. Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными  атомами введены пятивалентные  атомы (например, атомы мышьяка, As). 3

Рисунок 4.13.3. Атом мышьяка  в решетке германия. Полупроводник n-типа.

 

 

На рис. 4.13.3 показан пятивалентный  атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома  мышьяка включены в образование  ковалентных связей с четырьмя соседними  атомами германия.

 

Пятый валентный электрон оказался излишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической  решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорской примесью.

 

В результате ее введения в  кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это  приводит к резкому уменьшению удельного  сопротивления полупроводника –  в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим  содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника. В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны  и дырки, ответственные за собственную  проводимость кристалла.

 

Но основным типом носителей  свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком  кристалле nn >> np. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа. 4

Рисунок 4.13.4. Атом индия в  решетке германия. Полупроводник p-типа.

 

 

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены  трехвалентные атомы (например, атомы  индия, In). На рис. 4.13.4 показан атом индия, который создал с помощью своих  валентных электронов ковалентные  связи лишь с тремя соседними  атомами германия. На образование  связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может  быть захвачен атомом индия из ковалентной  связи соседних атомов германия. В  этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный  в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия. Примесь  атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью.

 

В результате введения акцепторной  примеси в кристалле разрывается  множество ковалентных связей и  образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать  электроны из соседних ковалентных  связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу. Наличие  акцепторной примеси резко снижает  удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа  свободных дырок. Концентрация дырок  в полупроводнике с акцепторной  примесью значительно превышает  концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: np >> nn. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью.