Часть 2. Основы электроники

1. Электропроводность полупроводников.

Полупроводниками называют обширную группу химических элементов и их соединений, у которых удельное сопротивление занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками.

Физическая сущность проводимости полупроводников существенно отличается от процессов проводимости в металлах. Наиболее важным является то, что проводимость в полупроводниках осуществляется двумя видами подвижных носителей электрических зарядов -- отрицательно заряженными свободными электронами и положительно заряженными дыр­ками -- электронами замещения.

Проводимость полупроводников существенно за­висит от окружающей температуры, степени освещенности и радиации, а также от вида и процентного содержания в нем примеси.

Исходным материалом при изготовлении полупроводниковых приборов являются элементы четвертой группы периодической таблицы Менделеева. Широкое применение имеют германий, кремний, а также полупроводниковые соединения: арсенид галлия, карбид кремния, сульфид кадмия.

При температуре абсо­лютного нуля ( - 273° С) все валентные электроны участвуют в образовании ковалентных связей, следовательно, свободных носителей электрических зарядов для осуществления проводимости не имеется, при этом полупроводник подобен идеальному диэлектрику. При повышении температуры или при облучении полупроводника лучистой энергией часть валентных электронов, получивших необходимую энергию, уходят из ковалентных связей, при этом они становятся свободными носителями электрических зарядов. При разрывах ковалентной связи одновременно с появлением свободных электронов образуются незаполненные ковалентные связи — дырки.

В химически чистых полупроводниках число свободных электронов равно числу дырок, так как при разрыве одной ковалентной связи одновременно создается один свободный электрон, ушедший из ковалентной связи, и одна дырка — отсутствие валентного электрона в ковалентной связи. Дырка в электрическом и магнитном полях ведет себя как частица с положительным зарядом, равным заряду электрона. При разрывах ковалентных связей кристалл не теряет электрической нейтральности, поскольку число положительных зарядов -- дырок равно числу отрицательных электронов, Незаполненную ковалентную связь может заполнить свободный электрон, покинувший иною ковалентную связь. При этом одна ковалентная связь восстанавливается, а другая -- разрывается. Таким образом создается впечатление, что дырка с как бы присущим ей положительным зарядом перемещается от одного атома к другому, причем ее перемещение происходит в направлении, противоположном перемещению электрона замещения. Разрывы ковалентных связей, сопровождающиеся образованием свободных электронов и дырок, называют генерацией, а восстановление ковалентных связей — рекомбинацией. Рекомбинация сопровождается выделением некоторой энергии в виде теплоты или света; генерация происходит с поглощением энергии.

При отсутствии электрического поля свободные электроны и дырки совершают в межатомном пространстве хаотическое тепловое движение, которое не сопровождается появлением тока.

При наличии внешнего электрического поля перемещение свободных электронов и дырок приобретает упорядоченный характер, электроны движутся в направлении силы электрического поля, а дырки в противоположном направлении. Проводимость, обусловленная движением свободных электронов, называется электронной, а проводимость, вызываемая движением дырок --дырочной.

Электронную проводимость называют проводимостью n-типа (от пеgаtiуе -- отрицательный), а дырочную называют проводимостью p-типа (от роsitiуе -- положительный).

Проводимость, осуществляемая одновременно электронами и дырками, называется собственной. Собственная проводимость равна сумме проводимостей n- и p -типов.

В собственной проводимости преобладающее значение имеет электронная составляющая проводимости, поскольку подвижность свободных электрон, больше подвижности дырок — электронов замещения.

Для изменения характера проводимости в чистый полупроводник вводят примеси. В качестве примесей для четырехвалентных кремния и германия используют элементы третьей или пятой группы таблицы Менделеева. Элемент пятой группы, например мышьяк, фосфор, сурьма применяют для получения полупроводников с преобладанием электронной проводимости, а элемент третьей группы, такие, как бор, алюминий, галлий, индий, используют для получения полупроводников с преобладанием дырочной проводимости.

Поскольку атомы примесей пятой группы являются источниками свободных электронов, такую примесь называют донорной, а полупроводник с донориой примесью полупроводник «n-типа».

Если в кристалле полупроводника один из его атомов заменен атомом трехвалентной примеси, то образуется незаполненная ковалентная связь — дырка, без обращзования свободного электрона. Так как примесный атом способен принять электрон для заполнения разорванной ковалентной связи, его называют акцеттором, а полупроводник с акцепторной примесью – полупроводником р-типа, поскольку проводимость обусловливается| движением дырок.

В примесных полупроводниках различают два вида носителей электрических зарядов - основные и неосновные. В полупроводнике «n-типа» основными носителями являются свободные электроны, а неосновными — дырки, в полупроводнике р-типа основными являются дырки неосновными — электроны.