Електричний струм у напівпровідниках

Напівпровідники з питомої провідності займають проміжне положення між провідниками та діелектриками.

Електричні властивості речовин

Напівпровідники від металів відрізняють за низкою ознак:

питомий опір у напівпровідників за звичайних умов набагато більше, ніж у металів;
питомий опір чистих напівпровідників зменшується зі зростанням температури (у металів воно зростає);
при освітленні напівпровідників їх опір значно зменшується (на опір металів світло майже не впливає);
нікчемна кількість домішок чинить сильний вплив на опір напівпровідників.

До напівпровідників належать 12 хімічних елементів

Види провідності

Будова напівпровідникових кристалів

Німеччина - чотиривалентний елемент, у зовнішній оболонці атома є чотири електрони, слабше пов'язані з ядром, ніж інші. Число найближчих сусідів кожного атома германію також дорівнює 4. Чотири валентні електрони кожного атома германію пов'язані з такими ж електронами сусідніх атомів хімічними парноелектронними (ковалентними) зв'язками. В утворенні цього зв'язку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону, які відщеплюються від атомів (колективуються кристалом) і при своєму русі більшу частину часу проводять у просторі між сусідніми атомами. Їхній негативний заряд утримує позитивні іони германію один біля одного. Такі зв'язок умовно може бути зображена двома лініями, що з'єднують ядра.

Електропровідність хімічно чистого напівпровідника можлива в тому випадку, коли ковалентні зв'язкикристалах розриваються та з'являються вільні електрони.

Додаткова енергія, яка має бути витрачена, щоб розірвати ковалентний зв'язок і зробити електрон вільним, називається енергією активації.

Отримати цю енергію електрони можуть при нагріванні кристала, при опроміненні високочастотними електромагнітними хвилями і т.д.

Як тільки електрон, придбавши необхідну енергію, йде з локалізованого зв'язку, утворюється на ній вакансія. Цю вакансію може легко заповнити електрон із сусіднього зв'язку, на якому, таким чином, також утворюється вакансія. Таким чином, завдяки переміщенню електронів зв'язку відбувається переміщення вакансій по всьому кристалу. Ця вакансія поводиться так само, як і вільний електрон — вона вільно переміщається за обсягом напівпровідника. Більше того, враховуючи, що і напівпровідник загалом, і кожен його атом при не порушених ковалентних зв'язках електрично нейтральні, можна сказати, що догляд електрона зі зв'язку та утворення вакансії фактично еквівалентно появі цього зв'язку надлишкового позитивного заряду. Тому вакансію, що утворилася, можна формально розглядати як носій позитивного заряду, який називають діркою.

Таким чином, відхід електрона з локалізованого зв'язку породжує пару вільних носіїв заряду - електрон та дірку. Їхня концентрація в чистому напівпровіднику однакова. При кімнатній температурі концентрація вільних носіїв у чистих напівпровідниках невелика, приблизно в 10 9 10 10 разів менше концентрації атомів, але при цьому вона швидко зростає зі збільшенням температури.

Порівняйте з металами: там концентрація вільних електронів приблизно дорівнює концентрації атомів.

Без зовнішнього електричного поля ці вільніелектрони та дірки рухаються в кристалі напівпровідника хаотично.

У зовнішньому електричному полі електрони переміщуються у бік, протилежний напряму напруженості електричного поля. Позитивні дірки переміщуються у бік напруженості електричного поля. Процес переміщення електронів та дірок у зовнішньому полі відбувається по всьому об'єму напівпровідника.

Загальна питома електропровідність напівпровідника складається з діркової та електронної провідностей. При цьому у чистих напівпровідників число електронів провідності завжди дорівнює числу дірок. Тому кажуть, що чисті напівпровідники мають електронно-діркову провідність, або власну провідність.

З підвищенням температури зростає кількість розривів ковалентних зв'язків та зменшується питомий опір чистих напівпровідників

Провідність напівпровідників збільшується із введенням домішок, коли поряд із власною провідністю виникає додаткова домішкова провідність.

Домішною провідністю напівпровідників називається провідність, обумовлена наявністю домішок у напівпровіднику.

Домішними центрами можуть бути:

атоми або іони хімічних елементів, впроваджені у ґрати напівпровідника;
надлишкові атоми або іони, впроваджені в міжвузля решітки;
різного роду інші дефекти та спотворення в кристалічних ґратах: порожні вузли, тріщини, зрушення, що виникають при деформаціях кристалів, та ін.

Змінюючи концентрацію домішок, можна значно збільшувати кількість носіїв зарядів того чи іншого знака та створювати напівпровідники з переважною концентрацією або негативно або позитивно заряджених носіїв.

Домішки можна розділити на донорні (що віддають) таакцепторні (приймаючі).

Домічними центрами можуть бути:

Донорна домішка

Від латинського "donare" - давати, жертвувати.

Розглянемо механізм електропровідності напівпровідника з донорною пятивалентной домішкою миш'яку As, яку вводять у кристал, наприклад, кремнію. П'ятивалентний атом миш'яку віддає чотири валентні електрони на утворення ковалентних зв'язків, а п'ятий електрон виявляється незайнятим у цих зв'язках.

Утворюються надлишкові електрони, ми отримуємо напівпровідник з переважно електронною провідністю, званий напівпровідником n-типу (negativus)

Донорні домішки - це домішки легко віддають електрони і, отже, збільшують кількість вільних електронів

Акцепторна домішка

Від латинського «acceptor» – приймальник.

У разі акцепторної домішки, наприклад, тривалентного індія In атом домішки може дати свої три електрони для здійснення ковалентного зв'язку тільки з трьома сусідніми атомами кремнію, а одного електрона «бракує» (рис. 9). Один з електронів сусідніх атомів кремнію може заповнити цей зв'язок, тоді атом In стане нерухомим негативним іоном, а на місці від одного з атомів кремнію електрона утворюється дірка. Акцепторні домішки, захоплюючи електрони і створюючи цим рухливі дірки, не збільшують у своїй кількості електронів провідності. Основні носії заряду в напівпровіднику з акцепторною домішкою дірки, а неосновні електрони.

Напівпровідники, у яких концентрація дірок перевищує концентрацію електронів провідності, називаються напівпровідниками р-типу (positivus).

Акцепторні домішки - це домішки, що забезпечують діркову провідність.

Електронно-дірковий перехід

Електронно-дірковий перехід (скорочено р-n-перехід) виникає в напівпровідниковому кристалі, що має одночасно області з n-типу (містить донорні домішки) та р-типу (з акцепторними домішками) провідностями на кордоні між цими областями.

Припустимо, у нас є кристал, у якому зліва знаходиться область напівпровідника з дірковою (p-типу), а праворуч – з електронною (n-типу) провідністю (рис. 10). Завдяки тепловому руху при утворенні контакту електрони з напівпровідника n-типу дифундувати в область р-типу. При цьому в області n-типу залишиться некомпенсований іон позитивний донора. Перейшовши в ділянку дірочної провідністю, електрон дуже швидко рекомбінує з діркою, при цьому в ділянці р-типу утворюється нескомпенсований іон акцептора.

Електронно-дірковий перехід

Аналогічно електронам дірки з області р-типу дифундують в електронну область, залишаючи в дірочній ділянці некомпенсований негативно заряджений іон акцептора. Перейшовши до електронної області, дірка рекомбінує з електроном. Внаслідок цього в електронній галузі утворюється некомпенсований позитивний іон донора.

В результаті дифузії на кордоні між цими областями утворюється подвійний електричний шар різноіменно заряджених іонів, товщина якого не перевищує часток мікрометра.

Між шарами іонів виникає електричне поле із напруженістю Ei. Електричне поле електронно-діркового переходу (р-n-перехід) перешкоджає подальшому переходу електронів і дірок через межу поділу двох напівпровідників. Замикаючий шар має підвищений опір у порівнянні з іншими обсягами напівпровідників.

P-nперехід узовнішньому електричному полі

Зовнішнє електричне поле із напруженістю E впливає на опір замикаючого електричного поля. Якщо n-напівпровідник підключений до негативного полюса джерела, а плюс джерела з'єднаний з p-напівпровідником, то під дією електричного поля електрони в n-напівпровіднику та дірки в p-напівпровіднику рухатимуться назустріч один одному до межі розділу напівпровідників.