Механизм электрической проводимости полупроводников

2.2.1. Собственная проводимость

Твердые тела, к которым относятся проводники, полупроводники и изоляторы обычно имеют кристаллическую структуру. Основу кристаллического тела составляют правильные пространственные решетки.

В зависимости от того, какие частицы располагаются в узлах кристаллической решетки, различают:

1) ионные кристаллические решетки;

2) металлические;

3) молекулярные;

4) атомарные.

Ионные кристаллические решетки образуются по знаку ионами, поочередно расположенными в узлах решетки (например, поваренная соль).

В узлах металлической решетки размещаются лишь положительные ионы металла. Свободные электроны, имеющиеся в таких кристаллах, воздействуя с ионами, обеспечивают устойчивость таких решеток (например, атомы элементов первых групп).

В молекулярных решетках в узлах располагаются молекулы, связанные друг с другом относительно слабыми силами (например, лед).

В атомарных кристаллических решетках в узлах располагаются атомы, между которыми непрерывно перемещаются валентные электроны, образующие так называемые ковалентные или парно-электронные связи.

В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используются кремний (Si) и германий (Ge), имеющие валентность равную четырем. Внешние оболочки атомов кремния и германия имеют четыре валентных электрона.

В основе кристаллической решетки кремния и германия лежит пространственная фигура – тетраэдр. Такие кристаллические решетки называются решетками типа алмаза. Характерная особенность тетраэдрической системы – одинаковые расстояния центрального атома от четырех угловых.

Атомы решетки связаны друг с другом внешними (валентными) электронами, которые взаимодействуют не только с ядром своего атома, но и с ядрами соседних атомов.

В кристаллах кремния и германия, связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами – по одному от каждого атома.

Рис. 2.2. Плоскостная схема кристаллической решетки кремния

В последующем будем пользоваться плоскостной схемой кристаллической решетки.

При температуре абсолютного нуля -273,16^°С в кристалле чистого кремния свободных электронов нет, т.е. полупроводник, обладает свойствами диэлектрика. При температуре выше абсолютного нуля (или при нагревании, освещении, облучении и т.д.) прочность кристаллической решетки нарушается, и появляются электроны проводимости. Эти электроны порывают парно- электронные связи и становятся свободными (количество свободных электронов мало).

Т.о. полупроводники, как и металлы, обладают электронной проводимостью. Но полупроводники, в отличие от проводников, обладают и дырочной проводимостью. В тех местах кристаллической решетки, которые электроны покинули, образуются дырки, представляющие собой атомы с положительными зарядами, численно равными зарядам электронов. Такой атом можно условно назвать положительным ионом. Однако следует иметь в виду, что при ионной электропроводимости, например в электролитах, ток представляет собой движение ионов, а при дырочной проводимости ионы кристаллической решетки не передвигаются, а остаются на месте.

Отсутствие электрона в атоме полупроводника условно назвали дыркой. Это подчеркивает, что в атоме не хватает одного электрона, т.е. образовалось свободное место.

Дырки ведут себя как элементарные положительно заряженные частицы. При выходе электронов из кристаллической решетки полупроводника образуются два вида носителей электрических зарядов – электроны (носители отрицательного электричества) и дырки (носители положительного электричества), т.е. происходит процесс генерации пар носителей зарядов.

Вследствие того, что электроны и дырки проводимости совершают хаотичное движение, также происходит процесс обратной генерации – рекомбинация пар носителей заряда – электроны проводимости вновь занимают свободные места в валентной зоне. При наличии электрического поля хаотичное перемещение носителей зарядов упорядочивается: электроны начинают перемещаться в направлении положительного полюса, создавая электрический ток; дырки перемещаются в направлении противоположном движению электронов, т.е. дырки, “дрейфуют”.

Более правильно электропроводность полупроводника объясняется его энергетической структурой. Как известно ширина запрещенной зоны у полупроводников сравнительно невелика (для германия 0,72 эВ, для кремния 1,12 эВ). При температуре абсолютного нуля -273,16^°С полупроводник, не содержащий примесей является диэлектриком, в нем нет электронов и дырок. При повышении температуры электропроводность полупроводника возрастает, так как электроны валентной зоны получают при нагреве дополнительную энергию и переходят в зону проводимости. Каждый электрон, перешедший в зону проводимости, оставляет в валентной зоне свободное место – дырку. Число электронов равно числу дырок.

Дырка – понятие условное. В действительности в полупроводниках электрический ток создается движением электронов, но как бы двух сортов: свободных и частью валентных электронов.

В идеально чистом кристалле кремния или германия при разрыве электронных связей возникают одновременно электрон и дырка. Одновременно с их образованием происходит их рекомбинация.

Проводимость, при которой нет избыточных положительных или отрицательных зарядов, называют собственной проводимостью. Собственная проводимость полупроводника невелика и не может обеспечить большого тока. Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником или полупроводником i- типа.

2.2.2. Примесная проводимость

Проводимость полупроводника резко увеличивается при добавлении определенного количества специальных примесей, т.е. при легировании.

Химические элементы пятой группы таблицы Менделеева на внешней оболочке имеют пять валентных электронов (например, сурьма Sb, мышьяк As, фосфор P).

Внесем примесь в кремний. Атомы сурьмы взаимодействуют с атомами кремния четырьмя своими электронами, пятый электрон они отдают в зону проводимости.

Рис. 2.3. Возникновение примесной электронной проводимости

Примеси, атомы которых отдают электроны, называют донорами. Атомы доноров, теряя электроны, сами заряжаются положительно. Полупроводник с преобладанием электронной полупроводимости, называют электронным полупроводником или полупроводником n-типа.

Энергетические уровни атомов донора немного ниже зоны проводимости основного полупроводника, поэтому из каждого атома донора электроны легко переходят в зону проводимости. Т.о., дополнительное число электронов равно числу атомов донора. В самих атомах донора дырки не образуются.

Рис. 2.4. Зонная диаграмма полупроводника n-типа

Химические элементы третьей группы таблицы Менделеева на внешней оболочке содержат три валентных электрона (например, индий In, бор B, алюминий Al, галлий Ga). Атомы примесей индия отбирают электроны у кремния, и в последних образуются дырки (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Возникновение примесной дырочной электропроводности

Вещества, отбирающие электроны и, создаваемые примесную дырочную электрическую проводимость называют акцепторами. Атомы акцепторов, захватывая электроны, сами заряжаются отрицательно.

При добавлении индия ∆W=0,01 эВ.

Полупроводники с преобладанием дырочной электрической проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p- типа.

Рис. 2.6. Зонная диаграмма полупроводника p-типа

Энергетические уровни атомов акцептора располагаются немного выше валентной зоны. На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, в которых возникают дырки.

Концентрация примесей обычно ничтожно мала. Один атом примеси приходится приблизительно на 10 млн. атомов полупроводника (германия). Примесная проводимость выше собственной в тысячи раз.

Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов донорной примеси Ng или акцепторной Na должна превышать концентрацию собственных носителей заряда (n_i=p_i). При изготовлении полупроводников Ng или Na

Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называют основными. В полупроводнике n-типа – электроны, в p- типа – дырки. Не основными, являются носители заряда, концентрация которых меньше, чем концентрация основных носителей. В полупроводнике n-типа – дырки, в p-типа – электроны.

В примесном полупроводнике концентрация не основных носителей уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается концентрация основных носителей.

Рассмотрим прохождение тока через полупроводник с разным типом электрической проводимости.

Рис. 2.7. Ток в полупроводниках

В полупроводнике n-типа, под действием ЭДС, в проводах и в самом полупроводнике движутся электроны проводимости. В полупроводнике p- типа, в проводах движутся электроны, в самом полупроводнике ток следует рассматривать как движение дырок.

В электротехнике принято условное (в направлении действующей ЭДС) направление тока от “плюса” к “минусу”. Истинное направление движения электронов изображено на рис. 2.7.

Помимо тока проводимости, в полупроводниках (дрейфа носители) может быть еще диффузионный ток, причиной которого является разная концентрация носителей.

Если носители заряда распределены равномерно по полупроводнику, то их концентрация называется равновесной. Под влиянием внешних воздействий в разных частях полупроводника концентрация может стать неравновесной.

Носители имеют собственную кинетическую энергию, они переходят из мест с большой концентрацией в места меньшей концентрацией, то есть стремятся распределиться равномерно. Вследствие этого возникает ток диффузии .

; (2.1)

; (2.2)

где е – заряд электрона,

D_n, D_p – коэффициент диффузии,

– градиенты концентрации электронов и дырок.