Электропроводность полупроводников

В полупроводнике все валентные электроны прочно связаны кристаллической решёткой. Чтобы создать проводимость в полупроводнике необходимо освободить электроны, разорвав ковалентные связи. Это возможно, если сообщить им энергию, источником которой может служить теплота. Величина сообщаемой энергии должна быть равна или превышать энергию запрещённой зоны. Уже при комнатной температуре часть электронов разрывают ковалентные связи и переходят из валентной зоны в зону проводимости. Если к кристаллу полупроводника приложить внешнее напряжение, то движение электронов становится упорядоченным, начинает протекать электрический ток. Электропроводность полупроводника, обусловленная свободными электронами, называется электронной, а ток, протекающий при этом – электронным.

Рис 2. Генерация пар «свободный электрон – дырка» в результате разрушения ковалентной связи (а) и перемещение дырки в кристалле (б)

В результате разрыва валентных связей и ухода электрона у атома появляется положительный заряд, а в ковалентной связи оказывается пустое (вакантное) место, называемое дыркой. Это пустое место может быть занято другим электронов из соседней связи, тогда на его месте также образуется дырка. Таким образом, одновременно с перемещением электронов, в полупроводнике происходит и перемещение дырок. Если к кристаллу полупроводника приложить напряжение, то перемещение дырок станет упорядоченным и противоположным перемещению электронов. Электропроводность полупроводника, возникающая в результате перемещения дырок называют дырочной, а ток, протекающий при этом – дырочным.

Электроны и дырки, способные создавать электропроводность, называются носителями заряда. Таким образом, под воздействием тепла в полупроводнике создаётся генерация пар электрон – дырка. Одновременно с генерацией пар электрон – дырка, в полупроводнике происходит процесс рекомбинации (исчезновения) носителей заряда. Это происходит вследствие того, что электроны снова занимают свободные места, объединяясь с дырками. Электропроводность полупроводника, возникающая в результате образования пар электрон – дырка называется собственной электропроводностью, а сам полупроводник – собственным полупроводником. Однако в природе нет собственных полупроводников. Полупроводники могут содержать различные примеси. Внесение примесей в полупроводник приводит к возрастанию его электропроводности. При этом характер электропроводности полупроводника будет зависеть от примесного вещества. В качестве основного кристалла в полупроводниковых приборах чаще всего используют четырёхвалентные элементы: германий или кремний.

Образование полупроводников n – типа и p – типа.

Рассмотрим два случая внесения примеси в полупроводник.

Образование полупроводника n – типа. Если в расплав предварительно очищенного германия (кремния) внести примесь пятой группы периодической системы Менделеева (фосфор, мышьяк, сурьма), то примесный атом занимает место атома исходного полупроводника. При этом четыре электрона примесного атома вступают в ковалентную связь с атомами исходного полупроводника, а пятый электрон остаётся свободным. Для того чтобы он оторвался от атома хватит небольшой энергии.При этом примесь, отдаёт электроны в кристалл исходного полупроводника, примесный атом становится положительным.

Примесь данного типа называется донорной. Полупроводник, содержащий донорную примесь, имеет электронную проводимость. Его называют электронным полупроводником или полупроводником n –типа. Электроны в таком полупроводнике являются основными носителями заряда, дырки – неосновными носителями заряда.

Образование полупроводника p – типа. Если в расплав предварительно очищенного германия (кремния) внести примесь третей группы периодической системы Менделеева (индий, галлий, бор), то примесный атом занимает место атома исходного полупроводника. При этом три электрона примесного атома вступают в ковалентную связь с атомами исходного полупроводника, а четвёртая связь остаётся незаполненной. Если электрону из соседней заполненной связи сообщить большую энергию, то он сможет перейти в эту незаполненную связь. При этом примесный атом становится отрицательным, а в той связи, откуда ушёл электрон образуется дырка.

В результате в полупроводнике образуется дырочная проводимость. Примесь, создающую в полупроводнике дырочную проводимость, называют акцепторной. Полупроводник, в котором преобладает дырочная проводимость, называют дырочным полупроводником или полупроводником p– типа.Дырки в таком полупроводнике являются основными носителями заряда, электроны – неосновными носителями заряда.