2 Собственная проводимость

В основе работы полупроводниковых (ПП) приборов лежит тот факт, что высвобождение электрона со­провождается образованием дырки, причем дырка не является по­стоянной принадлежностью какого-то одного атома – при переходе на ее место электрона из ковалентной связи соседнего атома свободное место появляется теперь в другой ковалентной связи.

Таким образом, наряду с хаотическим движением свободных электронов происходит и xaoтическое перемещение дырок, которое сопровождается перемещением электронов с одной ковалентной связи в другую. Такое перемещение электронов напоминает передачу эстафеты.

Имеются ли положительные ионы в проводниках? Безусловно, но положительные заряды в проводниках неподвижны, в то время как дырки в полупроводниках перемещаются хаотически, как и свободные электроны.

Одновременно с процессами возникновения пар электрон - дыр­ка при переходе электрона из ВЗ в ЗП, происходят и обратные процессы. Восстановление нейтрального атома путем захвата свободного электрона называется рекомбинацией. При данной температуре между указанными процессами устанавливается динамическое равновесие, и концентрация, т. е. число свободных электронов и дырок в единице объема, в среднем не изменяется.

При помещении ПП в электрическое поле в нем, как и в проводнике, начинается упорядоченное движение свободных электронов в ЗП, но одновременно с этим происходит и упорядоченное эстафетное перемещение электронов в валентной зоне из одной ковалентной связи в другую, которое в дальнейшем будем рассматривать как упорядоченное движение положительных зарядов — дырок.

Естественно, направление движения дырок обратно направлению движения свободных электронов, так как знаки их зарядов противоположны. Подвижные электрические заряды, являющиеся переносчиками электрического тока, принято называть носителями заряда (тока).

Следовательно, носителями электрического тока в ПП являются как отрицательные заряды — электроны (проводимость, обусловленную движением электронов, называют электронной и обозначают буквой n), так и положительные заряды — дырки (проводимость, обусловленную движением дырок, называют дырочной н обозначают буквой р).

Концентрация носителей заряда (электронов и дырок) в беспримесном ПП зависит от ширины ЗЗ ΔЕ , а также от температуры ПП и определяется по формуле: ,

где А – постоянный коэффициент, - постоянная Больцмана.

При комнатных температурах для германия ≈ 2,5·10¹³ см^-3 и для кремния 2·10¹⁰ см^-3.

3 Примесная проводимость

Из предыдущих рассуждений следует, что чистый ПП обладает в равной степени электронной и дырочной проводимостями (равной — в смысле равного количества одного н другого типа носителей).

Практическая ценность ПП неизмеримо возросла, когда было установлено, что можно резко изменить электронную и дырочную проводимости ПП путем внесения в него примесей.

Оказалось, что при этом можно создать ПП, в котором преобладала бы либо n-, либо р-проводимость. Примеси, увеличивающие электронную проводимость, называются донорными (отдающими), а примеси, увеличивающие дырочную проводимость,— акцепторными (присоединяющими).

Д ля четырехвалентных ПП донорными примесями являются элементы пятой группы (сурьма, мышьяк), имеющие по пять валентных электронов.

Атом донорной примеси занимает место в кристаллической решетке. При этом четыре его валентных электрона вступают в ковалентные связи с соседними атомами германия, пятый же электрон, лишенный ковалентных связей, очень слабо связан с ядром и легко высвобождается.

Ф изический смысл этого явления становится более ясным при рассмотрении диаграммы энергетических уровней донорной примеси в ПП, например, в германии.

Высший энергетический уровень электронов ВЗ примеси всего на ΔЕ_Д = 0,025 эВ ниже нижней границы ЗП германия, в то время как ЗЗ германия ΔЕ = 0,72 эВ. Следовательно, при обычной температуре, когда в ЗП попадает лишь незначительная часть электронов из атомов германия, большая часть атомов примеси высвобождает по одному электрону.

Н еобходимо подчеркнуть, что донорные атомы, резко увеличивая количество свободных электронов, не увеличивают количества дырок, так как ковалентные связи атомов примеси заполнены и не перехваты­вают электроны из ВЗ соседних атомов. Поскольку коли­чество атомов в единице объема очень велико (порядка 10²² см^-3), даже при слабой концентрации донорной примеси проводимость германия может возрастать в тысячу и более раз.

Акцепторными примесями для кремния и германия являются эле­менты III группы (например, индий).

Атом индия, тремя своими электронами образует ковалентные связи с атомами германия, но одно место остается неза­полненным.

Из энергетической диаграммы видно, что разность между энергетическими уровнями валентных зон индия и германия очень мала (ΔЕ_А = 0,01 эВ), поэтому электроны валентной зоны германия легко переходят к атомам индия, заполняя их ковалентные связи. При этом атом индия представляет собой неподвижный отрицательный ион, тогда как в атоме германия, потерявшем один из своих| валентных электронов, появляется незаполненный уровень — дырка,

Чтобы образовать пару электрон - дырка в чистом ПП, электрону необходимо сообщить энергию, равную ширине всей ЗЗ (ΔЕ = 0,72 эВ), в то время как при наличии атомов примеси (индия) для образования дырки валентному электрону германия достаточно сообщить энергию, равную 0,01 эВ.

Итак, внесение акцепторных примесей, приводящее к образование дырок, не сопровождается увеличением числа свободных электронов в ПП. Поскольку любой ПП обладает (хотя и незначительной) собственной проводимостью, в нем, помимо основных носителей, содержится небольшая часть неосновных. Иначе говоря, в ПП n-типа имеется большое количество свободных электронов и небольшое количество дырок, а в ПП р-типа — наоборот.