5. Объясните механизм электропроводности собственных и примесных полупроводников.

Электропроводность полупроводников в сильной степени зависит от присутствия даже ничтожного количества примесей.

Электропроводность беспримесных (собственных) полупроводников.

Кремний является элементом IV группы Периодической системы элементов Менделеева и имеет во внешней оболочке четыре валентных электрона. При образовании кристалла каждый атом, находясь в узле кристаллической решетки, создает связи с четырьмя соседними атомами. Каждая связь образуется парой валентных электронов (одним— от данного атома и другим — от соседнего) и называется ковалентной. Оба электрона ковалентнои связи в кристалле вращаются по орбите, охватывающей оба атома, которые они связывают, и удержи­ваются в этой связи силами притяжения к ядрам этих атомов. Его кристаллическая структура показана на рис. 6.2. Около каждого атомного остатка четыре валентных электрона компенсируют его положительный заряд, так что кристалл в целом остается электрически нейтральным .

  При отсутствии примесей и температуре абсолютного нуля Т =0 К в кристалле полупроводника все валентные электроны находятся в ковалентных связях атомов, так что свободных электронов нет. В этом случае кристалл является идеальным диэлектриком.

При температуре выше абсолютного нуля атомы кристалла под воздействием тепловой энергии совершают колебания около узлов кристаллической решетки. Те электроны ковалентных связей, которые получают тепловую энергию, равную или превышающую ширину запрещенной зоны ΔE₃ на определенную величину, отрываются и уходят из связей. Они становятся свободными (рис. 6.3,а) и могут перемещаться по кристаллу между узлами решетки. Свободный электрон является подвижным носителем отрицательного заряда.

Появление свободного электрона  сопровождается  разрывом ковалентной связи и образованием в этом месте так называемой дырки. Дырка проводимости, или просто дырка, -это место в ковалентной связи, не занятое электроном. Отсутствие отрицательного электрона в ковалентной связи равносильно появлению в этом месте положительного заряда +е, равного по величине заряду электрона. Дырка может заполниться электроном из соседней связи; при этом в данной связи дырка исчезает, а в соседней — появляется. Это равносильно перемещению дырки по кристаллу в направлении, противоположном переходу электрона по ковалентным связям   (рис. 6.3,б).

Перемещение дырки сопровождается передвижением положительного заряда, поэтому дырку можно рассматривать как частицу, являющуюся подвижным носителем положительного заряда.

Свободные электроны движутся в пространстве между узлами кристаллической решетки, а дырки — по ковалентным связям, поэтому подвижность отрицательных носителей заряда больше, чем положительных.

Процесс образования пары свободный электрон — дырка называют генерацией пары носителей заряда.

При отсутствии примесей в полупроводнике дырка появляется только при образовании свободного электрона, поэтому концентрация дырок в нем всегда равна концентрации элект­ронов. Концентрация подвижных носителей заряда зависит от температуры кристалла и ширины запрещенной зоны: концентрация носителей заряда возрастает с повышением температуры и уменьшением ширины запрещенной зоны .

Свободный электрон, совершая хаотическое движение, может заполнить дырку в ковалентной связи; разорванная ковалентная связь восстанавливается, а пара носителей заряда- электрон и дырка — исчезает: происходит рекомбинация носителей заряда противоположных знаков.

Оба процесса — генерация пар носителей заряда и их рекомбинация — в любом объеме полупроводника происходят одновременно.

Подвижные носители заряда обусловливают электропроводность   полупроводника. Под действием электрического поля электроны и дырки, продолжая участвовать в хаотическом тепловом движении, смещаются вдоль поля: электроны — в сторону положительного потенциала, дырки — в сторону отрицательного. Направленное движение обоих видов носителей заряда создает электрический ток в кристалле, который имеет две составляющие — электронную и дырочную.

Электропроводность полупроводника, обусловленную равным количеством электронов и дырок, появляющихся вследствие разрушения ковалентных связей, называют собственной электропроводностью. Соответственно беспримесный полупроводник называют собственным полупроводником. 

Электропроводность примесных полупроводников.

 Химически чистые полупроводники используют в полупроводниковой технике в основном в качестве исходного материала, на базе которого получают примесные полупроводники. За счет введения примеси можно значительно улучшить электропроводность полупроводника, создав в нем существенное преобладание одного какого-либо типа подвижных носителей заряда — дырок или электронов. В зависимости от валентности атомов примеси получают полупроводники с преобладанием либо электронной электропроводности, либо дырочной. Сочетание областей с разным типом электропроводности позволяет придать полупроводниковым приборам различные свойства. Примесь вводится в очень малом количестве — один атом примеси на 10⁶—10⁸ атомов исходного полупроводника. При этом атомная кристаллическая решетка не нарушается.

При введении в четырехвалентный полупроводник, например кристалл кремния или германия, примеси пятивалентного химического элемента — мышьяка, сурьмы, фосфора — атомы примеси замещают атомы исходного вещества в некоторых узлах кристаллической решетки (рис. 6.4). Четыре валентных электрона атома примеси создают ковалентные связи с четырьмя соседними атомами исходного полупроводника, а пятый электрон, не занятый в связи, оказывается избыточным и легко отрывается от атома. Атом примеси, потерявший один электрон, превращается в неподвижный положительный ион, связанный в узле кристаллической решетки, — происходит ионизация атомов примеси. Положительный заряд ион примеси компенсируется отрицательным зарядом свободного

электрона, и слой полупроводника с примесью остается электрически нейтральным, если свободный электрон не уходит из этого слоя. В случае ухода электрона в другие слои полупроводникового Рисунок 6.4 кристалла неподвижные заряды ионов примеси

образуют нескомпенсированный положительный, объемный заряд.

Примесь, атомы которой отдают электроны, называют донорной. При введении донорной примеси концентрация электронов в кристалле резко

возрастает. Одновременно происходит генерация пар электрон — дырка, но количество электронов, возникающих при этом, значительно меньше, чем количество электронов, отдаваемых донорами. Поэтому концентрация электронов становится значительно выше концентрации дырок: n_n>p_n. Электрический ток в таком полупроводнике создается в основном электронами, т. е. преобладает электронная составляющая тока.

Полупроводник, обладающий преимущественно электронной электропроводностью, называют полупроводником n-типа, В таком полупроводнике электроны являются основными, а дырки — неосновными носителями заряда.

При введении в кристалл кремния или германия примеси трехвалентного химического элемента, например нндия. алюминия, бора или галлия, атом примеси, войдя в узел кристаллической решетки, образует своими тремя валентными электронами только три ковалентные связи с соседними атомами четырехвалентного полупроводника (рис. 6.5). Для четвертой связи у него не хватает одного электрона; она оказывается незаполненной, т.е. создается дырка. Для заполнения этой связи атом при­меси может захватить электрон из ковалентной связи соседнего атома, так как требуемая для Рисунок 6.5 перехода электрона энергия в этом случае невелика. В результате присоединения лишнего валентного электрона атом примеси превращается в неподвижный отрицательный ион, а в соседней ковалентной связи, откуда этот электрон ушел, появляется дырка.

Положительный   заряд   дырки   компенсирует   отрицательный заряд иона примеси, и слой кристалла остается электрически нейтральным. В случае прихода в данный слой электрона из другого слоя и рекомбинации его с дыркой неподвижные заряды ионов   примеси   создают   нескомпенсированный   отрицательный объемный заряд.

Примесь, атомы которой захватывают электроны соседних атомов, называют акцепторной. Введение акцепторной примеси приводит к образованию избыточного числа дырок, концентрация которых значительно превышает концентрацию электронов, возникающих вследствие разрушения ковалентных связей полупроводника: р_р>n_р. В электрическом токе, возникающем в таком полупроводнике, преобладает дырочная составляющая.

Полупроводник с преобладанием дырочной электропроводности называют полупроводником р-типа. В таком полупроводнике дырки являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными носителями заряда.

Таким образом, в примесных полупроводниках основные носители заряда появляются главным образом за счет атомов примеси, а неосновные — за счет разрушения ковалентных связей и вызванной этим генерации пар носителей заряда. Концентрация основных носителей заряда превышает на два-три порядка концентрацию неосновных носителей. При этом удельная электрическая проводимость примесного полупроводника превышает удельную  проводимость  собственного  полупроводника   в   сотни тысяч раз.