Полупроводниковые материалы

По своему удельному сопротивлению полупроводники занимают промежуточную область между проводниками и диэлектриками. Границы между ними весьма условны, так как при достаточно высокой температуре диэлектрик ведет себя как полупроводник, а любой чистый полупроводник при весьма низких температурах подобен диэлектрику.

Рис. 22

Для выяснения характера проводимости рассмотрим некоторый объем идеальной кристаллической решетки германия. На рис.22 объемная кристаллическая решетка германия, элементарной геометрической фигурой которой является тетраэдр, изображена в виде плоской решетки.

Атомы германия располагаются в узлах решетки и связаны с другими атомами посредством четырех валентных электронов. Двойные линии между узлами решетки условно изображают ковалентную связь между каждой парой электронов, принадлежащих двум разным атомам. В идеальном кристалле германия при температуре абсолютного нуля Т=0^о К все ковалентные связи заполнены и каждый атом имеет достроенную оболочку, состоящую из 8 электронов. Валентная зона полностью занята электронами, а зона проводимости пуста.

Для перевода электронов в зону проводимости необходим дополнительный источник энергии, равный или превышающий энергию запрещенной зоны. Таким источником энергии может быть тепло окружающей среды. При температуре выше абсолютного нуля часть электронов разрывает ковалентные связи и переходит в зону проводимости, освобождая энергетические уровни в валентной зоне. Вакантный энергетический уровень в валентной зоне называют дыркой проводимости, которая в электрическом и магнитном полях ведет себя как частица с положительным зарядом. Такой процесс образования пар электрон проводимости - дырка проводимости называется генерацией пар электрон-дырка. После своего появления дырка проводимости под действием тепловой энергии совершает хаотическое движение в валентной зоне так же, как электрон в зоне проводимости. При этом возможен процесс захвата электронов зоны проводимости дырками валентной зоны . Процесс исчезновения пар электрон-дырка называется рекомбинацией. Этот процесс сопровождается выделением энергии, которая идет на нагрев кристаллической решетки и частично излучается во внешнюю среду.

Если к кристаллу полупроводника приложить электрическое поле, то движение электронов и дырок приобретает некоторую направленность. Таким образом, при температуре выше абсолютного нуля кристалл приобретает способность проводить электрический ток. Такая проводимость называется собственной, а полупроводник — собственным полупроводником. Эта проводимость обычно невелика и увеличивается с повышением температуры.

Если в кристалл германия или кремния добавить примесь элементов третьей или пятой групп таблицы Менделеева, то такой полупроводник называется примесным. Примесные полупроводники обладают значительно большей проводимостью по сравнению с полупроводниками с собственной проводимостью.

Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорные примеси отдают свои электроны, создавая в кристалле электронную проводимость, акцепторные — захватывают электроны из решетки основного кристалла, создавая дырочную проводимость примесного полупроводника.

Рассмотрим образование электронной и дырочной проводимости примесных полупроводников.

При внесении предварительно очищенный германий пятивалентного элемента (например, мышьяка - As) атомы примеси замещают в углах кристаллической решетки атомы германия. При этом четыре из пяти валентных электронов мышьяка образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами германия подобно связям в собственном полупроводнике. Пятый электрон оказывается избыточным. Такой полупроводник обладает в основном электронной проводимостью или проводимостью n-типа (n-полупроводник), а примесь, способная отдавать электроны, называется донорной. Основными носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны, а неосновными - дырки.

Рассмотрим примесный полупроводник, в котором часть атомов основного материала /в данном случае кремния/ заменена атомами 3-х валентного индия.

Будет дырка.

Какова концентрация примесей, такова и концентрация дырок. Дырок будет больше на количество атомов, введённых в материал.

Такой полупроводник называют дырочным /или p-типа/.

Примесь, сообщающую полупроводнику дырочный характер проводимости называют акцепторной.

Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорные примеси отдают свои электроны, создавая в кристалле электронную проводимость, акцепторные — захватывают электроны из решетки основного кристалла, создавая дырочную проводимость примесного полупроводника. В зависимости от типа примесей, вводимых в полупроводник, их разделяют на два типа:

1. Полупроводники р-типа(positive), обладающие положительной проводимостью, обусловленной наличием избыточных положительных зарядов - дырок.

2. Полупроводники п-типа(negative), обладающие отрицательной проводимостью, обусловленной наличием избыточных электронов.

Под действием внешнего электрического поля эти избыточные заряды приобретают направленное движение, образуя ток, называемый дрейфовым.