Лекция 1 Электрический ток в полупроводниках

Основой современных электронных устройств являются полупроводниковые приборы, которые характеризуются высокой надежностью и экономичностью. К ним относят: диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры, варисторы (переменный полупроводниковый резистор) и др. приборы, прин­цип действия которых основан на электрофизических процессах в полупроводниках.

К полупроводникам относится большое количество материалов, которые занимают промежуточное место между проводниками и ди­электриками.

Проводники (металлы) имеют удельную электрическую проводимость (способность вещества проводить электрический ток) (сименс/метр), полупроводники - и диэлектрики - .

Наибольшее применение в полупровод­никовой технике получили кремний, германий, галлии, селен, теллур, мышьяк и такие химические соединения: арсенид гал­лия, карбид кремния, сульфид кадмия и т. д.

Самым распространенным полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Полупро­водники отличаются от других твердых кристаллических материалов электропроводностью (способность проводить электрический ток), энергетическим состо­янием кристаллов, характерной зависимостью электри­ческих свойств от температуры, излучений и других внеш­них воздействий. Контролируя электронные процессы, можно управлять электрическим током в полупроводни­ковых приборах.

Основным отличием полупроводника от металла является то, что его удельное сопротивление уменьшается при увеличении температуры Т (рис. 1.1), т.е. при малых значениях температуры полупроводник имеет большое сопротивление (является диэлектриком), а при большой температуре - малое сопротивление (является проводником).

Рис. 1.1.

Полупроводники бывают собственные и примесные.

Собственными полупроводниками называются полупроводники, не имеющие примесей, влияющих на их электропроводность.

Примесными полупроводниками называют полупроводники, электропроводность которых зависит от примесей, и характеризуется выраженной электронной или дырочной проводимостью.

Собственный полупроводник

Рассмотрим распространенный полупроводник германий (Ge), представленный на рис. 2.

Рис. 2. Парно-электронные связи в кристалле германия

Атомы германия имеют четыре валентных электрона на внешней оболочке. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими атомами. Связи между атомами в кристалле германия образуются парами валентных электронов (электронов на внешней оболочке атома). Эти связи называют ковалентными. При комнатной температуре энергии валентных электронов недостаточно, чтобы разорвать связи в полупроводниках, поэтому свободные электроны отсутствуют, и такой кристалл электрического тока не проводит (свойство диэлектрика).

При повышении температуры полупроводника (при освещении или облучении электромагнитным полем) электроны могут получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны, и он будет проводить электрический ток. Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок». При заданной температуре в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией (восстановление связей).

В собственном полупроводнике число электронов равно числу дырок. Число электронов в единице объема называется концентрацией. Концентрация электронов обозначается как , а концентрация дырок как . При добавлении примеси в полупроводник концентрация свободных носителей сильно возрастает.

Примесные полупроводники по типу электропроводности делятся на два типа: с электронной проводимостью (n-тип) и с дырочной проводимостью (р-тип).