1.2 .Электропроводность полупроводников
Наиболее широко используются полупроводниковые материалы на основе германия или кремния. При высоких температурах полупроводники по электропроводности приближаются к металлам, а при очень низких температурах они становятся изоляторами.
Германий и кремний – элементы с четырьмя валентными электронами, связь которых с атомами сильнее, чем для валентных электронов в металле. Для ионизации, в результате которой возникает электрон проводимости, атом полупроводника должен получить некоторую энергию, называемую энергией ионизации Е. Значение Е для разных полупроводников лежит в пределах от 0,1 до 2 электрон-вольт (1 эВ = 1,6 10-19 Дж). Вещества с энергией ионизации, большей 2 эВ, условно относят к изоляторам.
При низких температурах валентные электроны соседних атомов кристаллической решетки образуют ковалентные (парно-электронные) связи и свободных зарядов в веществе, практически, нет (рис.2). При комнатных температурах средняя кинетическая энергия теплового движения порядка kT = 1,38 10-23 300 Дж 10-21 Дж, т.е. еще заметно меньше энергии ионизации Е.
Но, вследствие распределения по энергиям, в веществе всегда есть частицы с энергией равной или превышающей значение Е. Поэтому при реальных температурах небольшая часть электронов становится свободной, а на их местах образуется вакантная (свободная) связь, называемая «дыркой» (рис.3). Если в веществе создать электрическое поле, то оно вызывает направленное движение не только свободных электронов, но и переходы некоторых ковалентно-связанных электронов на соседние вакантные места. Этот процесс выглядит как движение вдоль направления электрического поля дырок, и поэтому проводимость полупроводников без примесей (собственная) называется электронно-дырочной.
При собственной проводимости концентрации электронов и дырок равны и относительно малы. При повышении температуры увеличивается энергия теплового движения и, соответственно, концентрация электронов и дырок, а следовательно и уменьшается удельное сопротивление или увеличивается удельная электропроводность полупроводников.
Электропроводность чистых полупроводников при введении даже очень малого количества других атомов резко увеличивается и называется примесной.
Если в кристаллическую решетку четырехвалентного кремния или германия включается атом с пятью валентными электронами, например атом мышьяка As, то пятый электрон не может образовать ковалентную связь, легко освобождается, а атом мышьяка становится положительным ионом (рис.4). Атомы мышьяка как бы отдают свои электроны всему кристаллу и поэтому такая примесь называется донорной (отдающей). В этом случае концентрация электронов проводимости больше концентрации дырок и, поэтому говорят о проводимости n-типа (negative – отрицательный). Электроны в полупроводниках n-типа называют основными носителями, а дырки – не основными носителями.
При встраивании в кристаллическую решетку с ковалентными связями атома с тремя валентными электронами, например индия In или бора В, одна из ковалентных связей остается вакантной и образуется дырка. В процессе теплового движения это вакантное место может занять один из электронов кремния или германия, т.е. атом примеси «забирает» электрон и становится отрицательным ионом и, поэтому такая примесь называется акцепторной (принимающей). В этом случае концентрация дырок больше концентрации электронов и проводимость называется р-типа (positive – положительный). Дырки в полупроводниках р-типа называются основными носителями, а электроны не основными носителями.