Тема 1.1. Электрофизические явления в полупроводниках

Полупроводники – материалы, которые по своей проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Основное свойство – увеличение проводимости с ростом температуры. Наиболее типичные – германий и кремний.

Если полупроводник чистый (без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика. Бывает двух видов: электронная и дырочная.

Электронная (n-типа). При температуре, близкой к абсолютному нулю, все атомы кристалла связаны между собой ковалентными связями, в создании которых заняты все валентные электроны. При повышении температуры тепловые колебания кристаллической решетки сообщают электронам дополнительную энергию. В определенных условиях энергия электрона оказывается больше энергии ковалентной связи, и он, разрывая эту связь, переходит в межузельное пространство кристалла, становясь "свободным". Такой электрон может свободно перемещаться в межузельном пространстве кристалла независимо от перемещения других электронов.

 При низких температурах все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое, при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны – сопротивление уменьшается. Электронная проводимость обусловлена наличием свободных электронов.

Дырочная (p-типа).

Возникновение большого числа свободных электронов по мере повышения температуры оказывается лишь одной из причин проводимости собственного полупроводника. Другая причина связана с изменением структуры валентных связей в кристалле, вызванным переходом валентных электронов в межузельное пространство. Каждый электрон, уходящий в межузельное пространство и превращающийся в электрон проводимости, оставляет в системе валентных связей в кристалле вакантное место - "дырку". На освободившееся место может перейти валентный электрон от любого соседнего атома. В свою очередь на место, освободившееся после ухода этого электрона, может перейти электрон от следующего атома и т. д. В отсутствие внешнего поля подобные переходы одинаково возможны во всех направлениях. Однако при включении внешнего электрического поля такие переходы приобретают направленный характер: электроны в системе валентных связей перемещаются в том же направлении, что и свободные электроны проводимости. Перемещение электронов в цепочке таких переходов происходит последовательно, как бы по очереди - каждый электрон переходит на место, освободившееся от его предшественника. Если же рассмотреть результат такого последовательного процесса, то его можно представить как перемещение во встречном направлении самого вакантного места.

Электронная проводимость обусловлена перемещением свободных электронов в межузельном пространстве кристалла (то есть перемещением электронов, перешедших в зону проводимости), в то время как дырочная проводимость связана с переходом электронов от атома к атому в системе ковалентных связей кристалла (то есть переходами электронов, оставшихся в валентной зоне).

Когда происходит разрыв ковалентной связи, на месте вырвавшегося электрона, образуется вакантное место, которое может занять другой электрон. Это место называется дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд.

Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей p и n – типа и называется электронно-дырочной проводимостью.

На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные.

Донорная примесь — это примесь с большей, чем у кристалла, валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуются дополнительные свободные электроны. Именно поэтому примесь называется донорной. Преобладает электронная проводимость, а полупроводник называют полупроводником n-типа.

Например, для кремния с валентностью n = 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторная примесь — это примесь с меньшей чем у кристалла валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Преобладает «дырочная» проводимость, а полупроводник называют полупроводником p-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью n = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».

Для создания материалов р- и n-типа используется кристаллический германий или кремний. Атомный номер кремния 14, с 4 валентными электронами на внешней орбите. Атомный номер германия 32, и он также имеет 4 валентных электрона на внешней орбите (Рисунок 1.1).

Для формирования материала n-типа добавляется примесь из мышьяка или сурьмы. Она является пятивалентной, то есть имеющей 5 валентных электронов на внешней орбите. При добавлении в германий или кремний соединяется с 4 валентными электронами и образует 1 свободный электрон, который дает атому отрицательный заряд, поэтому эта примесь называется донорной (Рисунок 1.2).