Ток в полупроводниках

 

 

Первое упоминание о необычных свойствах полупроводников, по видимому, принадлежит М. Фарадею. В то время все материалы по своим электрическим свойствам делились на три группы:

 

а) материалы, хорошо проводящие электрический ток (металлы);

б) материалы, не проводящие электрический ток (диэлектрики или изоляторы);

в) материалы, плохо проводящие электрический ток (их называли «плохими проводниками», и лишь позднее стали называть «полупроводниками»).

 

В 1833 году, исследуя температурную зависимость удельной электропроводности «плохого проводника» — сульфида серебра, Фарадей обнаружил, что в отличие от «хороших проводников», т.е. металлов, у сульфида серебра при нагревании проводимость не уменьшалась, а, наоборот, увеличивалась. Впоследствии эта особенность температурной зависимости удельной проводимости была обнаружена и у других полупроводников. После работы Фарадея в ближайшие 40 лет успехи в изучении полупроводников были незначительны.

 

 

Два важных открытия были сделаны лишь в 1873 и 1874 годах. В 1873 году Уиллоуби Смит открыл увеличение проводимости селена при его освещении, т.е. обнаружил внутренний фотоэффект, а в 1874 году Ф. Браун, исследуя такие вещества, как сернистый свинец (PbS) и пирит (FeS), обнаружил выпрямление переменного тока при контакте этих материалов с металлом. В конце XIX-начале XX столетий появилось довольно много работ, посвящённых изучению свойств полупроводников. В большинстве случаев это были сульфиды и оксиды металлов, а также кремний. Именно в этот период и появился термин «полупроводники».

 

Полупроводник - материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

 

Лишний электрончик

Ядро

Элетрончик

 

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия - к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира - полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры. В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается. Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков. Чтобы понять механизм возникновения проводимости в полупроводниках, необходимо знать строение полупроводниковых кристаллов и природу связей, удерживающих атомы кристалла возле друг друга. Напомним, что фактически у каждого электрона своя собственная орбита и правильнее говорить не об одной внешней орбите, а о внешнем электронном слое, в котором может быть до восьми орбит.

 

Образование свободных электронов

 

Атом всегда стремится к этой восьмерке, к тому, чтобы его внешняя орбита была заселена, чтобы число электронов в ней было доведено до возможного разрешенного максимума. И если на внешней орбите меньше восьми электронов, то атом при первом же удобном случае стремится притянуть к себе чужой электрон. Зачем же тащить к себе на орбиту электрон вместе с атомом, когда вокруг бегают свободные электроны? А дело в том, что атом в целом — нейтральная система, суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Попав на эту орбиту, лишний электрон очень быстро слетает с нее. Среди всех известных типов атомов совершенно особое место занимает углерод. Многообразие устойчивых соединений углерода связано с тем, что у него на внешней орбите — четыре электрона и четыре свободных места, которые нужно заполнить для получения восьмерки. Самое прочное, самое устойчивое углеродное сооружение — кристалл алмаза. Здесь каждый атом углерода отдает четыре внешних электрона четырем соседям и четыре электрона получает от них, по одному от каждого соседнего атома. И тот электрон, который получает внешняя орбита, и тот, что она отдает, становятся общими для обоих атомов — отдающего и получающего. Поэтому на внешней орбите каждого атома вращается заветная восьмерка — четыре своих электрона и четыре соседних. Существуют и другие химические элементы с четырьмя электронами на внешней орбите. К их числу относятся полупроводники германий и кремний. Кристаллы германия и кремния относятся к числу полупроводников: удельное сопротивление первого — примерно 50 Ом/см, второ¬го— 1000000 Ом/см. При температуре абсолютного нуля ( — 273,2°С) германий и кремний — идеальные изоляторы. Но как только температура несколько повышается, тут же из-за тепловых колебаний атомов с некоторых внешних орбит выскакивают электроны и уходят в межатомное пространство. Атомов, не сумевших удержать на месте свои электроны, относительно немного, иначе вместо полупроводника мы имели бы просто проводник.

 

Дырочная проводимость.

 

При нагревании кремния кинетическая энергия валентных электронов повышается и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои «проторенные пути» и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток. Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью. По мере повышения температуры число разорванных связей и, значит, свободных электронов увеличивается. Это приводит к уменьшению сопротивления.

 

Образование дырочной проводимости

 

При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями. Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь, а там, откуда перескочил электрон, образуется новая дырка. Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу. Если напряженность электрического поля в образце равна нулю, то перемещение дырок, равноценное перемещению положительных зарядов, происходит хаотически и поэтому не создает электрического тока. При наличии электрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок и, таким образом, к электрическому току свободных электронов добавляется электрический ток, связанный с перемещением дырок. Направление движения дырок противоположно направлению движения электронов.

 

Проводимость при наличии примесей.

 

Мы рассмотрели механизм проводимости идеальных полупроводников. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников. Она во многом сходна с проводимостью водных растворов или расплавов электролитов. И в том и в другом случае число свободных носителей заряда увеличивается с ростом интенсивности теплового движения. Поэтому и у полупроводников, и у водных растворов, или расплавов электролитов наблюдается увеличение проводимости с ростом температуры. Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная, примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.

 

Собственная проводимость полупроводников.

 

Донорные примеси.

Оказывается, что при наличии примесей, например атомов мышьяка, даже при очень малой их концентрации, число свободных электронов возрастает во много раз. Происходит это по следующей причине. Атомы мышьяка имеют пять валентных электронов. Четыре из них участвуют в создании ковалентной связи данного атома с окружающими, например с атомами кремния. Пятый валентный электрон оказывается слабо связанным с атомом. Он легко покидает атом мышьяка и становится свободным. При добавлении одной десятимиллионной доли атомов мышьяка концентрация свободных электронов становится равной 10 в шестнадцатой степени на кубический сантиметр. Это в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике. Примеси, легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными (отдающими) примесями. Поскольку полупроводники, имеющие донорную примесь, обладают большим числом электронов (по сравнению с числом дырок), их называют полупроводниками n-типа (от слова negativ — отрицательный). В полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.

 

Акцепторные примеси.

Если в качестве примеси использовать индий, атомы которого трехвалентны, то характер проводимости полупроводника меняется. Теперь для образования нормальных парноэлектронных связей с соседями атому индия недостает электрона. В результате образуется дырка. Число дырок в кристалле равно числу атомов примеси. Такого рода примеси называют акцепторными (принимающими).

 

Примесная проводимость

 

При наличии электрического поля дырки перемещаются по полю и возникает дырочная проводимость. Полупроводники с преобладанием дырочной проводимости над электронной называют полупроводниками р-типа (от слова positiv— положительный). Основными носителями заряда в полупроводнике р-типа являются дырки, а неосновными — электроны.

 

Рассмотрим полупроводник, правая часть которого содержит донорные примеси и поэтому является полупроводником n-типа, а левая — акцепторные примеси и представляет собой полупроводник р-типа. Электроны изображены оранжевыми кружками, а дырки — черными. Контакт двух полупроводников называют р— n переходом. Подключим полупроводник к батарейке. Сначала так, чтобы потенциал полупроводника р-типа был положительным, n типа — отрицательным. При этом ток через р—переход будет осуществляться основными носителями: из области n в область р электронами, а из области р в область n—дырками.

 

Полупроводник с p-n переходом

 

Проводимость всего образца будет большой, а сопротивление - малым. Рассмотренный здесь переход называют прямым. Переключим полюса батареи. Тогда при той же разности потенциалов сила тока в цепи окажется значительно меньшей, чем при прямом переходе. Это обусловлено следующим. Электроны через контакт идут теперь из области р в область n, а дырки из области n в область р. Вследствие этого проводимость всего образца будет большой, а сопротивление - малым. Этот переход называют прямым. В полупроводнике р-типа мало свободных электронов, а в полупроводнике n типа мало дырок. Переход через контакт идет неосновными носителями, число которых мало. Значит, проводимость образца оказывается малой, а сопротивление — большим. Образуется запирающий слой. Переход будет обратным. р—n-переход по отношению к току оказывается несимметричным: в прямом направлении сопротивление перехода значительно меньше, чем в обратном.