Что такое полупроводники
Полупроводниками в широком смысле слова называют вещества, по своему удельному сопротивлению (примерно от 106 до 10-3 ом • см) находящиеся между проводниками и диэлектриками, например шифер, сланец, влажное дерево и др.
Какие элементы считаются полупроводниками
К полупроводникам относится часть элементов IV, V и VI групп таблицы Менделеева, а также значительная часть окислов, Сернистых и других соединений металлов. Характерными полупроводниками являются кремний, германий, селен, закись меди и др.
Как указывалось, сила тока в проводнике прямо пропорциональна концентрации (количество в единице объема) носителей зарядов и средней скорости перемещения их в направлении поля. При постоянном приложенном напряжении (U = const) эта скорость также постоянна, следовательно, сила тока I прямо пропорциональна концентрации N зарядов:
I~N.
Если это сопоставить с формулой закона Ома:
I = U/R = UG,
то получим, что электропроводность G прямо пропорциональна концентрации N зарядов:
G ~ N.
Поскольку при внешних воздействиях в полупроводниках изменяется концентрация носителей зарядов, то соответственно будет изменяться и их электропроводность.
Различие между полупроводником и металлами
Физическими носителями зарядов в полупроводниках являются электроны. Однако в связи с некоторым различием процесса образования тока в них полупроводники разделяются на две основные группы: электронные и дырочные.
В электронных полупроводниках (типа n, от латинского слова negati υe — отрицательный) имеются свободные электроны, которые в процессе теплового движения могут перемещаться по всей массе полупроводника подобно электронам в металлах (рис. 2, а, на котором, как и на последующих, обозначено: полным кружком — атомы электрически нейтральные, кружком с выемкой — атомы, потерявшие электрон, маленьким кружком — электроны).
Основное различие между полупроводниками и металлами заключается в том, что концентрация свободных электронов в металлах достаточно высокая и практически не зависит от температуры. В полупроводниках она при обычных температурах в миллионы раз меньше, однако внешние воздействия, особенно нагревание, повышают концентрацию свободных электронов в тысячи и даже сотни тысяч раз.
Если на электронный полупроводник действует электрическое поле, то движение электронов принимает направленный характер (рис. 2, б; линии напряженности поля показаны пунктиром), т. е. в полупроводнике образуется электрический ток, хотя и незначительный по величине. На рис. 208, а показана схематически цепь, содержащая электронный полупроводник. На его границах происходит переход электронов из внешней цепи в полупроводник или обратно.
В дырочных полупроводниках (типа р, от латинского слова positive — положительный) движение электронов ограничено, они могут перескакивать от одного атома к другому, вблизи лежащему. В связи с этим некоторые электрические процессы в этих полупроводниках протекают иначе, чем в полупроводниках электронных, вследствие чего они и выделены в особую группу. При этом оказалось, что образование тока в них удобнее связать не с перемещением электронов, а с условным движением особых носителей положительных зарядов, называемых дырками.
Понятие дырки связано с кристаллическим строением вещества. Дыркой называется незаполненная связь атома, находящегося в узле пространственной решетки вещества, с соседними атомами или, другими словами, свободное место в атоме, находящемся в пространственной решетке., которое может быть занято посторонним ему электроном. Дырки при этом рассматриваются как эквивалент положительного заряда, по величине равного электрону. Простейшим примером дырки является свободное вместо электрона у положительного иона, находящегося в пространственной решетке из атомов того же вещества.
Как работает полупроводник
Рассмотрим полупроводник, в пространственной решетке которого тем или иным путем образовались дырки. В процессе теплового движения наиболее слабо связанные с ядром электроны соседних атомов могут перескакивать в эти дырки.
При этом будут заполняться (рекомбинироваться) одни дырки и образовываться вновь другие, в результате чего дырки будут беспорядочно перемещаться по всей массе полупроводника (рис. 4, а). Если на полупроводник действует электрическое поле, то перескок электронов между дырками, а соответственно и перемещение самих дырок примет направленный характер (рис. 4, б). На рис. 4, в показан конечный результат: все дырки переместились к отрицательному электроду.
Это явление представляет собой электрический ток (направленное движение зарядов) в полупроводнике, образование которого можно связать или с цепочечным перескоком электронов как физических носителей отрицательных зарядов, или с перемещением в обратном направлении дырок как условных носителей положительных зарядов.
Последнее является более удобным, так как позволяет лучше отличить явления, которые происходят в дырочном полупроводнике, от аналогичных явлений в электронном полупроводнике. Таким образом, ток в этом случае рассматривается как направленное движение положительных зарядов — дырок, а полупроводник соответственно называется дырочным.
На рис. 3, б показана цепь, содержащая дырочный полупроводник. На электроде, к которому подходят электроны из внешней цепи, происходит их рекомбинация с дырками, около противоположного электрода образуются дырки путем отделения электронов, которые переходят во внешнюю цепь.
В общем случае в любом полупроводнике имеется как электронная, так и дырочная проводимость. Пусть, например, в результате нагревания у части атомов полупроводника освободились электроны, они создают электронную проводимость. В то же время на месте оторвавшихся электронов остались дырки, в которые могут переходить электроны от другой части атомов.
Эти дырки создают дырочную проводимость. При действии на подобный полупроводник электрического поля движение как электронов, так и дырок, суммируясь, образует полный ток в полупроводнике, обусловленный его смешанной электронно-дырочной проводимостью. Такая проводимость называется собственной проводимостью полупроводника. Она сравнительно невелика.
В силу ряда причин (естественные нарушения в пространственной решетке, наличие ничтожного количества инородных примесей и т. п.) в реальных условиях у полупроводников обычно преобладает одна из проводимостей: или электронная или дырочная. Чаще тот или другой характер проводимости придается полупроводнику искусственно с помощью примесей.
Для этого к атомам полупроводника примешиваются, например, путем сплавления атомы веществ, отличающихся от него по валентности. Атомы примесей, попадая в полупроводник, занимают места в его пространственной решетке и образуют связи с соседними атомами. Если примесные атомы имеют больше валентных электронов, чем атомы основного вещества, например пятивалентные элементы в четырехвалентном полупроводнике, то лишние (не образующие связь с соседними атомами) электроны освобождаются и увеличивают электронную проводимость полупроводника.
Электроны в данном случае будут основными носителями зарядов и концентрация их в полупроводнике будет высокая. Если в таком полупроводнике имеются (или образуются) дырки, то они являются неосновными носителями зарядов и концентрация их будет значительно более низкой.
Если примесные атомы имеют меньше валентных электронов (трехвалентные элементы в четырехвалентном полупроводнике), то при образовании связи с атомами основного вещества к ним переходят электроны соседних атомов, у которых соответственно образуются дырки. Таким образом увеличивается дырочная проводимость полупроводника. Дырки будут основными носителями зарядов и концентрация их в полупроводнике будет высокая. Если у таком полупроводнике имеются (или образуются) свободные электроны, то они являются неосновными носителями зарядов и концентрация их будет значительно более низкой.
Пример на основе германия
Поясним сказанное на примере германия. Германий имеет пространственную решетку «алмазного» типа. Она получается путем образования вокруг каждого ядра общих электронных оболочек из восьми электронов: четырех валентных электронов данного атома и по одному валентному электрону от четырех соседних. На рис. 5 представлена плоскостная схема образования общих электронных оболочек. Связь между атомами изображена черточками каждая из которых обозначает связь, осуществляемую одним электроном.
Если некоторые атомы в кристаллической решетке германия будут заменены примесными атомами с пятью валентными электродами например мышьяком, то при образовании общих электронных оболочек один из электронов в примесном атоме оказывается лишним он открывается и делается свободным.
Полупроводник приобретает электронную проводимость. Наоборот, если некоторые из атомов германия будут замешены примесными атомами с тремя валентными элементами, например индия, то при образовании общих оболочек одна из них будет неполной, в нее могут переходить электроны из соседних атомов, у которых, таким образом, образуются дырки и полупроводник приобретает дырочную проводимость.
Образованная таким образом проводимость называется примесной проводимостью полупроводника и обычно превышает собственную его проводимость в сотни и даже тысячи раз.
Статья на тему Полупроводники