2.2. 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 -273,16С 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 -273,16С 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.