Основные теоретические сведения. В зависимости от способности проводить электрический ток все твердые тела делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики (изоляторы)

В зависимости от способности проводить электрический ток все твердые тела делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики (изоляторы).

Полупроводниками являются вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по своей способности проводить электрический ток.

Граница между полупроводниками и диэлектриками условна, так как диэлектрики при соответствующем значительном повышении температуры становятся подобными полупроводникам, а чистые полупроводники при весьма низкой температуре ведут себя как диэлектрики.

Характерной особенностью полупроводников является необычайно- высокая чувствительность к примесям. Чем лучше очистка полупроводника, тем выше его удельное сопротивление. При 300 К (27°С) удельное сопротивление германия 47 Ом∙ м. Но достаточно добавить к 108 атомам германия один атом примеси, и его удельное сопротивление снижается до 4 Ом∙ м.

В чистых полупроводниках (без примесей), находящихся при низких температурах, свободные электроны (электроны проводимости) отсутствуют, так как все они участвуют в образовании связей между атомами кристаллической решетки. Для того чтобы валентный электрон стал электроном проводимости и мог принимать участие в переносе заряда, необходимо сообщить атому дополнительную энергию. Это можно осуществить путем повышения температуры полупроводника или воздействуя на него излучением.

Процесс отрыва электрона от нейтрального атома сопровождается образованием на его месте вакансии, которую называют дыркой (рис. 1).

В чистом полупроводнике число электронов проводимости равно числу вакансий. В результате теплового возбуждения электроны соседних нейтральных атомов могут переходить на вакантное место. Такое коллективное поочередное движение электронов, находящихся в основном в положении равновесия около атомов, можно представить в виде встречного потока положительно заряженных частиц, называемых дырками. Перемещение, как свободных электронов, так и дырок в отсутствие электрического поля носит хаотический характер.

Если к полупроводнику приложить определенную разность потенциалов, то возникает упорядочивающее электрическое поле и движение дырок и электронов примет направленный характер. Электроны будут перемещаться в сторону большего потенциала (против направления линий напряженности внешнего электрического поля), а дырки - в сторону меньшего потенциала (вдоль направления линий напряженности поля). Таким образом, в чистом полупроводнике имеется два вида проводимости - электронная и дырочная. Электронная проводимость (n - типа) обусловлена движением свободных электронов, а дырочная (p - типа) - коллективным движением связанных с атомами валентных электронов.

Собственной проводимостью называется электропроводность веществ, обусловленная свободными электронами и дырками, образовавшимися в равных количествах при тепловых движениях атомов.

В практических целях чаще используются полупроводники с добавками других элементов - примесей, наличие которых приводит к преобладанию одного из типов проводимости.

Так, если к четырехвалентному германию добавить незначительное количество пятивалентного мышьяка или сурьмы, то в нем образуется избыток слабосвязанных с ядром электронов (рис. 2). Обусловлено это тем, что четыре валентных электрона примеси участвуют в создании химической связи с атомом германия, а пятый валентный электрон оказывается слабо связанным с атомом примеси, поэтому он легко становится «свободным». Эти электроны уже при комнатной температуре могут принимать участие в создании тока проводимости.

Примеси, добавление которых к собственному полупроводнику приводит к увеличению концентрации свободных электронов, называются донорными, а проводимость в этом случае будет электронной (n -типа).

Добавление к германию примеси с валентностью, равной трем, например, бора или индия, приводит к повышению концентрации дырок (рис. 3). Объясняется это нехваткой у атома индия одного электрона для установления прочной связи с атомом германия, при этом между этими двумя атомами получается незаполненная валентная связь, или «дырка». Число дырок в кристалле равно числу атомов примеси.

Примеси, при добавлении которых к чистому полупроводнику возрастает концентрация дырок, называются акцепторными, а проводимость будет дырочной (p -типа).