|
|
|
Собственный полупроводник
Для изготовления полупроводников применяют в основном германий и кремний, а также некоторые соединения галлия, индия и пр.
Для полупроводников характерен отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления. При возрастании температуры сопротивление полупроводников уменьшается, а не увеличивается, как у большинства твердых проводников. Кроме того электрическое сопротивление полупроводников очень сильно звисит от количества примесей (и от веществ примесей тоже) таких внешних воздействий, как свет, электрическое поле, ионизирующее излучение и т. д. (забегая вперед, на этом основан принцип действия фотодиодов, фототранзисторов, магнитоуправляемых приборов и т. п.)
Принцип работы полупроводниковых приборов связан с тем, что в полупроводниках существует электропроводность двух типов - электронная и дырочная. Электронная электропроводность характерна для металлов и обусловлена перемещением электронов проводимости. При обычных рабочих температурах в полупроводниках всегда имеются электроны проводимости, которые очень слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое движение (колебания) между атомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием разности потенциалов могут начать двигаться в определенном направлении. Это движение и есть электрический ток.
Полупроводники обладают также дырочной электропроводностью, которая не наблюдается в металлах. Она является особенностью полупроводников, поэтому рассмотрим ее подробней.
В атоме полупроводника под влиянием тепловых или других воздействий один из наиболее удаленных от ядра валентных электронов переходит в зону проводимости (про зоны и зонные диаграммы здесь). Тогда атом будет иметь заряд, численно равный заряду электрона. Такой атом можно назвать положительным ионом, но надо иметь ввиду, что при ионной электропроводности, напрмер в электролитах, ток представляет собой движение ионов (ион означает путешественник), а при дырочной электропроводности механизм перемещения электрических зарядов совсем иной. В полуповодниках кристаллическая решетка достаточно прочна. Ее ионы не передвигаются, а остаются на своих местах.
Отсутствие электрона в атоме полупроводника условно назвали дыркой. Следует иметь ввиду, что дырка - это не частица, а освободившееся после электрона место. Дырка ведет себя как элементарный положительный (именно положительный) заряд.
Как возникает дырка поясняет рисунок:
Рис. 1 Образование пары электрон-дырка
Как видно из рисунка, один из электронов, участвующих в ковалентной связи, получив дополнительную энергию, становится электроном проводимости, т. е. свободным носителем заряда, и может перемещаться в кристаллической решетке. А его прежнее место теперь свободно (красный цвет символично означает положительный заряд). Вот этот красненький кружочек и есть дырка, то бишь освободившееся от электрона место.
Возникает вопрос, если дырка не частица, как же она перемещается? Очень просто. При дырочной электропроводности под влиянием приложенной разности потенциалов перемещаются дырки, что эквивалентно перемещению положительных зарядов. А перемещение происходит следующим образом. Допустим, какой то электрон получил дополнительную энергию и ушел из атома. Появилась дырка. Поскольку заряд дырки положительный, он может притянуть к себе ближайший электрон. Если в полупроводнике действует электрическое поле (разность потенциалов), то это поле стремится двигать электроны в направлении от отрицательного заряда к положительному. Электрон заполняет первую дырку, а на месте, откуда он ушел образовалась другая дырка, в которую поле передвигает другой ближайший электрон. Вторая дырка заполняется и образовывается третья дырка, т. е. весь этот процесс эквивалентен перемещению дырки, хотя на самом деле перемещаются электроны, но более ограниченно, чем при электронной электропроводности. Электроны переходят из данных атомов только в соседние. Результатом этого является перемещение дырок в направлении, противоположном перемещению электронов. Более наглядно это поясняет рисунок:
Рис. 2 Принцип перемещения дырок
Электропроводность полупроводников наиболее правильно может быть объяснена их энергитической структурой (рисунок ниже). Как известно, ширина запрещенной зоны у полупроводников сравнительно невелика. При нагревании (или действии любой дополнительной энергии) электроны получают дополнительную энергию и уходят в зону проводимости, т. е. становятся электронами проводимости. Это хорошо видно на рисунке:
Рис.3 Энергитическая структура полупроводника
Каждый электрон, перешедший в зону проводимости, оставляет в валентной зоне дырку, т. е. в валентной зоне возникают дырки проводимости, число которых равно числу электронов, перешедших в зону проводимости. Следовательно, вместе с электронной создается дырочная электропроводность.
Электроны и дырки, которые могут перемещаться, а потому создавать электропроводность, называются подвижными носителями заряда или просто носителями заряда. Весь этот процесс принято называть генерация пар носителей заряда, т. е. возникают пары электрон проводимости-дырка проводимости.
Вследствие того, что электроны и дырки совершают хаотическое движение, обязательно происходит и процесс, обратный генерации пар носителей. Электроны проводимости снова занимают свободные места в валентной зоне (падающий сверху кружочек на рисунке), т. е. объединяются с дырками. Такое исчезновение пар носителей называется рекомбинацией носителей заряда. Процессы генерации и рекомбинации всегда происходят одновременно. Рекомбинация ограничивает возрастание пар носителей, и при каждой данной температуре устанавливается определенное число электронов и дырок проводимости, т. е. они находятся в состоянии динамического равновесия.
Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником полупроводником i-типа. Он обладает собственной электропроводностью, которая складывается из электронной и дырочной.
Если к полупроводнику не приложено напряжение, то электроны и дырки проводимости совершают хаотическое движение и никакого тока, разумеется, нет. Под действием разности потенциалов в полупроводнике возникает электрическое поле, которое ускоряет электроны и дырки и сообщает им еще некоторое поступательное движение, представляющее собой ток проводимости.
Движение носителей заряда под действием электрического поля иначе называется дрейфом носителей, а ток проводимости - током дрейфа iдр. Полный ток проводимсти складывается из электронного и дырочного токов:
iдр= inдр+ ipдр
Индексы n и p соответственно обозначают электронную и дырочную электропроводность.
Удельная проводимость зависит от концентрации носителей и от их подвижности. В полупроводниках при повышении температуры вследствие интенсивной генерации пар носителей концентрация подвижных носителей увеличивается значительно быстрее, нежели уменьшается их подвижность, поэтому с повышением температуры проводимость растет.
|
|
|
