Носители заряда

Электропроводность имеет место в том случае, когда имеют­ся свободные носители заряда, которые могут перемещаться под действием электрического поля или градиента концентра­ции. Рассмотрим происхождение свободных носителей заряда в полупроводниках.

Беспримесный и бездефектный полупроводник с идеальной кристаллической решеткой называют собственным полупровод­ником. При температуре абсолютного нуля в нем нет свободных носителей заряда и он является идеальным изолятором. По мере нагрева в кристалле возникает колебательное движение узловых атомов решетки. В корпускулярной интерпретации носителями энергии механических колебаний решетки являются квантовые частицы фононы — аналоги световых фотонов.

С повышением температуры кристалла количество и энер­гия фононов возрастают и они разрывают ковалентные связи между атомами решетки. При этом одновременно образуются свободные электроны и незаполненные связи — дырки вблизи того атома, от которого оторван электрон (рис. 2.3). Процесс об­разования электронно-дырочных пар под действием фононов носит название термогенерации.

Незаполненная связь заполняется одним из валентных элек­тронов смежного атома. На месте этого электрона образуется новая дырка, и этот процесс повторяется. Следовательно, дыр­ка ведет себя подобно частице с положительным элементар­ным зарядом.

Это очень удобное представление позволяет рассматривать электрический ток в полупроводнике состоящим из двух ком­понент — электронного и дырочного, при этом используются одинаковые, давно известные из электротехники выражения. Правда, некоторые параметры носителей заряда оказываются разными.

Рис. 2.3. Процесс Рис.2.4. Замещение примесными атомами

образования дырки основных атомов решетки:

а – донорная примесь; б – акцепторная примесь.

Нарушение ковалентных связей и генерация пар элект­рон-дырка могут происходить как под действием фононов, так и других квантов энергии, например, под действием света, рентгеновских и γ-лучей. Специфика этих факторов по сравне­нию с нагревом состоит лишь в том, что их действие локаль­ное: оно ограничено по глубине проникающей способностью, а по поверхности — площадью пучка. Иначе говоря, облучение полупроводника эквивалентно его локальному нагреву. Если площадь пучка превышает размеры кристалла и кристалл до­статочно тонкий (прозрачный для излучения), то результат об­лучения по существу такой же, как при нагреве.

Проводимость собственного полупроводника, обусловленную парными носителями теплового происхождения, называют соб­ственной проводимостью.

Проводимость, обусловленную наличием примесных атомов, называют примесной проводимостью. Примеси, характерные для кремния, являются примесями замещения.

Если ввести в кремний атом пятивалентного элемента (на­пример, фосфора, сурьмы или мышьяка), то четыре из пяти ва­лентных электронов этого элемента вступят в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния (рис. 2.4, а) и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов. Девятый электрон в этой комбинации оказывается слабо связанным с ядром пяти­валентного элемента; он легко отрывается фононами и делается свободным. При этом примесный атом превращается в непо­движный ион с единичным положительным зарядом.

Свободные электроны примесного происхождения добавля­ются к собственным свободным электронам. Поэтому проводи­мость полупроводника становится преимущественно электрон­ной. Такие полупроводники называются электронными или п-типа. Примеси, обусловливающие электронную проводи­мость, называют донорными.

Если ввести в кремний атом трехвалентного элемента (на­пример, бора, галлия или алюминия), то все три его валентных электрона вступят в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния (рис. 2.4, б).Для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки нужен дополнительный электрон. Та­ковым оказывается один из валентных электронов, который от­бирается от ближайшего атома кремния. В результате образует­ся незаполненная связь — дырка, а атом примеси превращается в неподвижный ион с единичным отрицатель­ным зарядом.

Дырки примесного происхождения добавляются к собствен­ным дыркам, так что проводимость полупроводника становит­ся преимущественно дырочной. Такие полупроводники называ­ют дырочными или р-типа¹. Примеси, обусловливающие ды­рочную проводимость, называют акцепторными.

Отрыв «лишнего» электрона от донора и «недостающего» электрона для акцептора требует некоторой энергии — энергии ионизации или активации примеси. Поэтому при нулевой тем­пературе Т = О К ионизация не имеет места, но в рабочем диа­пазоне температур (от -60 °С и выше) и, в частности, при ком­натной температуре (Т = 15-25 °С) примесные атомы ионизиро­ваны практически полностью.

Поскольку в примесных полупроводниках концентрации электронов и дырок резко различны, принято называть носите­лей преобладающего типа основными, а носителей другого типа – неосновными. В полупроводнике n-типа основные носители – электроны, а в полупроводнике р-типа – дырки.