Природа полупроводников электропроводность полупроводников

5. Электрический ток в полупроводниках

В кристаллах полупроводников атомы имеют общую электронную пару (ковалентная решётка). Эти коллективизированные электроны могут перемещаться по всему кристаллу. При низких температурах эти связи прочны и, соответственно, свободных электронов нет, поэтому кристалл не проводит ток. Однако при повышении температуры эти связи могут разрываться, появляются свободные электроны, а вместе с ними и вакантные места, которые называются дырками .

Во внешнем электрическом поле появляется направленное движение дырок по направлению вектора напряжённости этого поля ( дырочная проводимость ), а электронов — в обратном направлении ( электронная проводимость ). В совокупности такие электронную и дырочную проводимость в беспримесных полупроводниках называют собственной проводимостью полупроводника.
При наличии примесей помимо собственной проводимости в проводнике появляется ещё и примесная проводимость. Примеси бывают двух видов: донорные и акцепторные .
Донорными примесями называют примеси, которые имеют лишние (для образования связей в решётке) электроны, слабо связанные с ядром. Эти электроны легко становятся свободными и под действием внешнего поля создают ток. Полупроводник с донорными примесями называется полупроводником \(n\)- типа .
Акцепторные примеси — примеси, у которых недостаточно электронов для образования связей в решётке, из-за чего в ней образуются дырки, которые под действием внешнего поля создают ток. Полупроводник с акцепторными примесями называется полупроводником \(p\)- типа .

Чем выше температура, тем больше свободных электронов и дырок и тем меньше сопротивление полупроводникового кристалла, в отличие от металлов (рис. \(1\)).

При контакте двух полупроводников разных типов электроны из \(n\)-области переходят в \(p\)-область, а дырки — в обратную сторону. Поэтому полупроводник \(n\)-типа имеет положительный потенциал и энергия электрона в нём уменьшается, а \(p\)-типа — отрицательный потенциал и энергия электрона увеличивается. Это называется электронно-дырочным (\(n\)-\(p\)) переходом, а возникающее на границе электрическое поле — контактным .
Внешнее электрическое поле изменяет контактное поле, поэтому большее количество электронов и дырок может перейти в другую область, из-за чего через \(n\)-\(p\)-переход будет течь электрический ток.

На \(n\)-\(p\)-переходе основан принцип действия полупроводниковых диодов. Вольт-амперная характеристика диода (рис. \(2\)) показывает, что закон Ома не выполняется.

Принцип действия транзистора основан на двух \(n\)-\(p\)-переходах. Они бывают двух типов: \(p\)-\(n\)-\(p\)-транзисторы и \(n\)-\(p\)-\(n\)-транзисторы. Полупроводник, находящийся посредине, называется базой, а два других — коллектором и эмиттером.
Включим транзистор в цепь так, что переход эмиттер-база будет включён в пропускном направлении, а переход коллектор-база — в запирающем (рис. \(3\)). При приложении входного напряжения \(V_\) между эмиттером и базой дырки из эмиттера проникают в базу и далее — в коллектор из-за диффузии. Там они двигаются под действием электрического поля, и появляется электрический ток.

Источник

Лекция 16 Электропроводность полупроводников. Термоэлектрические явления.

Полупроводники обязаны своим названием тому обстоятельству, что по величине электропроводности они занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами. Проводимость полупроводников растет с ростом температуры (у металлов она уменьшается).

Различают собственную и примесную проводимость полупроводников.

Собственная проводимость возникает в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости. При тепловом возбуждении электрона, находящегося в валентной зоне, он освобождает состояние в валентной зоне и переходит в зону проводимости, образуя там заполненное состояние.

Рис.1. Зонная модель германия.

Незаполненное состояние, или вакансия, образующееся при этом в валентной зоне, называется дыркой.

К полупроводникам относятся: бор, кремний, германий, фосфор, мышьяк, селен, углерод, CuO, FeO, In ₂O₃, ферриты, жидкие полупроводники. Например, растворы натрия и калия в аммиаке.

В присутствии внешнего электрического поля ближайший к дырке электрон в валентной зоне попадает в нее, оставляя при этом новую дырку, которую заполнит следующий соседний электрон и т.д. То есть дырка перемещается в направлении, противоположном направлению движения электронов и ведет себя как носитель положительного заряда. Таким образом, ток при собственной проводимости обусловлен движением электронов в зоне проводимости и движением дырок в валентной зоне.

При повышении температуры на каждые 10 К сопротивление образца из чистого кремния уменьшается вдвое. Поэтому чистый кремний можно использовать в качестве очень

чувствительного электронного датчика температуры. Такое устройство, изготовленное из чистого полупроводника, называется термистором. Такой термистор, установленный в термопеленгаторе, позволяет обнаруживать объекты, дающие тепловое излучение.

Выражение для проводимости имеет вид

(1)

.

Если на графике изобразить от, то для собственных полупроводников получается прямая линия, представленная на рис.2.

По наклону этой прямой можно определить ширину запрещенной зоны.

Типичными полупроводниками являются элементы IV группы периодической системы Менделеева – германий и кремний. Они образуют решетку типа алмаза, в которой атом связан с четырьмя соседними атомами, каждая связь образована двумя электронами. Тепловое движение может разорвать отдельные связи, освободив один электрон. Покинутое электроном место перестает быть нейтральным, в его окрестности возникает избыточный положительный заряд – образуется дырка. На это место может перескочить электрон одной из соседних пар. В результате дырка начинает также странствовать по кристаллу, как освободившийся электрон.

Когда внешнее поле отсутствует, электроны проводимости и дырки движутся хаотически. При включении поля на хаотическое движение накладывается упорядоченное движение: Электронов против поля и дырок – по полю. Оба движения – дырок и электронов – приводят к переносу заряда вдоль кристалла, следовательно, собственная электропроводность обуславливается носителями зарядов двух знаков – отрицательными электронами и положительными дырками.

Источник

Электрический ток в полупроводниках

Важнейшее значение в современной технике играют компоненты электронных схем, большая часть которых построена с применением особых веществ, названных полупроводниками. Рассмотрим особенности протекания электрического тока в полупроводниках.

Проводимость полупроводника

Главное свойство полупроводников, результатом которого является широчайшее их распространение в современной электронике, является возможность легкого управления проводимостью. Это дает возможность использовать полупроводники для усиления и преобразования самых разных электрических сигналов.

Изначально полупроводниковые приборы строились в основном на основе германия. В настоящее время самое широкое применение находит кремний.

Строение кристалла полупроводника

Для понимания природы проводимости полупроводника следует рассмотреть его атомное строение. Кремний – четырехвалентный элемент. В его кристалле каждый атом связан ковалентными связями с четырьмя соседями. Ковалентная химическая связь – это связь, при которой электроны двух атомов «обобществляются», и становятся общими. То есть каждая связь в кремнии содержит два «обобществленных» электрона.

Электронная проводимость

Чем выше температура кристалла, тем больше энергии имеют валентные электроны, и тем легче им переходить между соседними атомами. Удалившись от одного атома, он может начать двигаться по связи с другим атомом (там, где в это время другой электрон «освободит место»).

Наконец, наступает момент, когда энергия некоторых валентных электронов позволяет им совсем покинуть область электронной связи, и стать свободными. Число таких электронов с температурой повышается, и кристалл все лучше проводит электрический ток. У него появляется электронная проводимость.

Дырочная проводимость

Заметим, что электрон, ставший свободным – покинул свой атом, в результате чего у атома образовался избыточный положительный заряд, «вакантное место» в одной из четырех связей. Такой атом называется «дыркой». Поскольку в ковалентных связях электроны могут переходить от связи к связи – образовавшееся «вакантное место» может быть заполнено электроном из соседнего атома, таким образом дырка образуется в этом соседнем атоме.

В отсутствие электрического поля дырки образуются и исчезают хаотично. Однако, если такое поле появляется, дырка будет заполняться электронами из соседних атомов в основном под действием этого поля. То есть, под действием поля дырка начинает движение – в полупроводнике возникает дырочная проводимость.

Таким образом, кратко электрический ток в полупроводниках можно представить в виде движения электронов и дырок.

Собственная и примесная проводимость

Собственная проводимость чистого полупроводника, как правило, невелика, существенно меньше, чем проводимость металлов. Для работы в электронных схемах это большой недостаток. Для увеличения проводимости в полупроводник вводят специальные примеси.

Атомы примеси подбираются так, чтобы они легко встраивались в кристаллическую структуру полупроводника, и при этом значительно влияли на его проводимость, несмотря на небольшое количество примеси. Такой результат можно получить, если валентность примеси будет немного отличаться (на единицу) от валентности вещества полупроводника.

Донорная и акцепторная проводимость

Валентность примеси может быть равна пяти (например, у мышьяка). В этом случае у каждого атома примеси кроме четырех электронов, участвующих в связи с соседними атомами кремния, будет один «лишний» электрон, который сможет легко покидать атом мышьяка, и двигаться в полупроводнике. Проводимость кристалла резко возрастает за счет появляющихся свободных электронов. Примесь, которая легко увеличивает число свободных электронов, называется донорной, а кристалл полупроводника с донорной примесью называется n-типом (от «negative»). Основными носителями в таком полупроводнике являются электроны.

Валентность примеси может быть равна трем (например, у индия). В этом случае у каждого атома примеси в четырех связях с соседними атомами кремния всегда будет одно «вакантное» место, которое будет легко заполняться электронами соседних атомов. Проводимость кристалла в этом случае также возрастает, за счет увеличенного числа дырок. Примесь, увеличивающая число дырок, называется акцепторной, а полупроводник с такой примесью называется полупроводником p-типа (от «positive»). Основными носителями в нем являются дырки.

Изменяя концентрацию примесей, можно значительно менять как электронную, так и дырочную проводимость. Эта возможность широко используется в электронике.

Что мы узнали?

В полупроводниках существуют носители двух типов – свободные электроны, покинувшие атомы и атомы, в которых есть «вакантное» место для электрона (дырки). В проводниках бывает собственная и примесная проводимость. Если примесь легко отдает электроны, то она называется донорной, такой полупроводник имеет n-тип. Если примесь имеет недостаток электронов, она называется акцепторной, такой полупроводник имеет p-тип.

Источник