5.4. Собственная электронная и дырочная проводимость полупроводников

Н

Рис. 5.5. Нейтральная (а) и ионизированная (б) молекулы германия

ейтральная молекула полупроводникового материала, например, германия (рис. 5.5,а), имеет валентные связи, заполненные электронами. При подведении к ней добавочной энергии W (тепловой, световой, электрической и др.) увеличивается энергия валентных электронов, они отрываются от своих атомов (рис. 5.5,б) и нейтральная молекула вещества разделяется на свободный электрон и ион. На месте электрона у иона остаётся свободная валентная связь — «дырка», которую применительно к полупроводникам принято считать частицей с положительным зарядом.

Ион зафиксирован в узле кристаллической решётки и перемещаться не может, но дырка может быть заполнена электроном, оторвавшимся от соседней молекулы (рис. 5.6). Ион становится нейтральной молекулой, а молекула, лишившаяся электрона, обретает свободную валентную связь — дырку. Таким образом, при перемещении электронов им навстречу перемещаются дырки. Движение отрицательных электронов называют электронной или n - проводимостью, перемещение положительных дырок — дырочной или p - проводимостью (от латинского «negativus» — «отрицательный» и «positivus» — «положительный»). Упорядоченное перемещение электронов и дырок образует электрические токи в полупроводнике.

В

Рис. 5.6 Образование электронных и дырочных токов при собственной проводимости полупроводников: а…д — последовательность процесса

идеальных кристаллах чистых полупроводников, имеющих не более 10^–11 % примесей, электроны и дырки появляются всегда парами, их концентрации равны, токи, которые они образуют, обусловлены собственной проводимостью полупроводника.

5.5. Примесная проводимость полупроводников

В реальных кристаллах полупроводников с примесями и дефектами кристаллической решётки равенство концентраций электронов и дырок нарушено, проводимость в таком случае называют примесной, или индуцированной и она осуществляется либо преимущественно электронами, либо дырками.

Для изготовления полупроводниковых устройств электронной техники требуются материалы с преимущественно электронной и преимущественно дырочной проводимостью. Чтобы получить такие материалы, в особо чистый полупроводник дозированно вводят соответствующие легирующие примеси, придающие им нужный тип проводимости.

Если в четырёхвалентный германий будет введена пятивалентная донорная примесь (висмут, сурьма или фосфор), имеющая пять валентных электронов, то четыре электрона будут связаны четырёхвалентным германием, а каждый пятый электрон останется свободным. В материале образуется избыток свободных электронов, будет получен германий с электронной проводимостью. При введении трёхвалентной акцепторной примеси (алюминий, бор, галлий) три её валентные электрона займут лишь три связи четырёхвалентного германия. Каждая четвёртая валентная связь останется свободной, в материале будет наблюдаться преобладание дырок, и полученному германию будет присуща дырочная проводимость.