Полупроводники в физике

Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников

К полупроводникам относят широкий класс веществ, которые отличаются от металлов тем, что:

а) концентрация подвижных носителей заряда в них существенно ниже, чем концентрация атомов;
б) эта концентрация (а с ней и электропроводность) может меняться под влиянием температуры, освещения, небольшого количества примесей;
в) электрическое сопротивление уменьшается с ростом температуры (рис. 102).

Отличие полупроводников от диэлектриков условно. К диэлектрикам обычно относят вещества с удельным сопротивлением (при комнатной температуре); к полупроводникам, соответственно, с .

Полупроводники по своему строению делятся на кристаллические, амфорные и стеклообразные, жидкие. По химическому составу полупроводники делятся на элементарные, т. е. состоящие из атомов одного сорта , двойные, тройные, четверные соединения. Полупроводниковые соединения принято классифицировать по номерам групп периодической таблицы элементов, к которым принадлежат входящие в соединение элементы. Например, и относятся к соединениям типа (существуют также и органические полупроводники).
Строение полупроводников рассмотрим на примере кремния (рис. 103, а).

В кристаллической решётке кремния каждый атом имеет четыре ближайших соседа. Кремний является четырёхвалентным элементом, и взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью ковалентной, или парноэлектронной, связи, когда в каждой связи участвует по одному электрону от каждого атома. Это так называемые коллективизированные электроны; большую часть времени они проводят в пространстве между соседними ионами кремния, удерживая их друг возле друга.

При низких температурах парноэлектронные связи достаточно прочны, они не разрываются, поэтому кремний не проводит электрический ток.

Увеличение температуры приводит к увеличению кинетической энергии валентных электронов и разрыву валентных связей. Часть электронов становятся свободными (подобно электронам в металле), кристаллы под действием электрического поля начинают проводить ток (рис. 103, б). Проводимость полупроводников, обусловленная свободными электронами, называется электронной проводимостью. При увеличении температуры от 300 до концентрация носителей заряда, например в , увеличивается примерно в , а в раз, что и приводит к падению сопротивления (рис. 102).
Разрыв валентных связей при увеличении температуры приводит к образованию вакантного места с недостающим электроном, которое имеет эффективный положительный заряд и называется дыркой. Становится возможным переход валентных электронов из соседних связей на освободившееся место. Такое движение отрицательного заряда (электрона) в одном направлении эквивалентно движению положительного заряда (дырки) в противоположном .

Перемещение дырок по кристаллу происходит хаотически, но если к нему приложить разность потенциалов, начнётся их направленное движение вдоль электрического поля. Проводимость кристалла, обусловленная дырками, называется дырочной проводимостью.

Электронная и дырочная проводимость чистых (беспримесных) полупроводников называется собственной проводимостью полупроводников.

Собственная проводимость полупроводников невелика. Так, в число носителей заряда (электронов) составляет всего одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов.
Отличительной особенностью полупроводников, как упоминалось выше, является их способность существенно увеличивать проводимость при добавлении примесей в кристалл. Эта проводимость, в отличие от собственной, так и называется — примесная проводимость. Именно благодаря этому свойству полупроводники нашли столь широкое практическое применение.

Примесная проводимость полупроводника, в зависимости от вида примеси, может быть электронной (её создают донорные примеси) либо дырочной (её создают акцепторные примеси). Полупроводники с электронной проводимостью называются полупроводниками — типа (negative — отрицательный). Полупроводники с дырочной примесной проводимостью называются полупроводниками — типа (positive — положительный).

Донорными примесями являются такие, добавление которых приводит к существенному увеличению концентрации свободных электронов в кристалле. Для того чтобы примесь была донором электронов, необходимо, чтобы валентность элементов, её составляющих, была больше валентности атомов решётки. Для кремния такой донорной примесью являются атомы пятивалентного мышьяка (). Четыре электрона участвуют в образовании парноэлектронной связи, а пятый электрон оказывается очень слабо связанным с атомом и легко становится свободным.

Акцепторные примеси приводят к увеличению концентрации дырок. В соответствии с вышесказанным валентность атомов акцепторной примеси ниже валентности атомов решётки кристалла. Для кремния такой примесью является трёхвалентный индий (). Теперь для образования нормальных парноэлектронных связей с соседями не хватает одного электрона. В результате образуется дырка. При наличии поля возникает дырочная проводимость.
В полупроводнике — типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными. В полупроводнике — типа дырки являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными.

— Переход

— Переход — это простейшая полупроводниковая структура, которая используется в большинстве полупроводниковых приборов. Для получения — перехода полупроводниковый образец легируют (вводят в него примеси) таким образом, чтобы в одной его части преобладали донорные примеси, а в другой — акцепторные, в результате получают контакт полупроводника — типа с полупроводником — типа (рис. 104). Основным свойством — перехода является его способность пропускать ток только в одном направлении, если напряжение приложено к образцу так, что проводимость осуществляется основными носителями тока, как это показано на рис. 104: «-» со стороны полупроводника — типа, «+» — со стороны — типа (электроны из — области переходят в — область, и наоборот). Если теперь поменять полярность приложенного напряжения , то ток через — переход практически не идёт, т. к. переход через контакт осуществляется неосновными носителями, которых мало. Вольт-амперная характеристика — перехода изображена на рис. 105. Здесь правая часть графика — это прямой переход (осуществляемый основными носителями), левая, пунктирная часть — обратный переход (осуществляемый неосновными носителями). Свойства — перехода используются для выпрямления переменного тока в устройствах, которые называются полупроводниковыми диодами.

Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:

Предмет физика

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Электрический ток в газах в физике

Электрический ток в электролитах в физике

Взаимодействие магнитов в физике

Индукция магнитного поля в физике