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.
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.
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.
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.
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.
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