Полупроводники.

Природа электрического тока в полупроводниках.

Подавляющее большин­ство веществ не принадлежит ни к числу таких хороших диэлектриков, как янтарь, кварц или фарфор, ни к числу таких хороших проводников тока, как металлы, а занимает промежуточное положение между теми и другими. Их называют полупроводниками. Удельные проводимости раз­личных тел могут иметь очень сильно отличающиеся зна­чения. Хорошие диэлектрики имеют ничтожную проводи­мость; от 10^-8 до 10^-18 См/м; проводимость металлов, на­оборот, очень велика: от 10⁶ до 10⁸ См/м. Полу­проводники по своей проводимости лежат в интервале меж­ду этими крайними пределами.

Особый научный и технический интерес представляют так называемые электронные полупроводники. Как и в металлах, прохождение электрического тока через такие полупроводники не вызывает никаких химических изме­нений в них; следовательно, в них свободными носителями заряда являются электроны, а не ионы. Иными словами, проводимость этих полупроводников, как и металлов, является электронной. Однако уже огромное количественное различие между удельными проводимостями указывает на то, что сущест­вуют весьма глубокие качественные различия в условиях прохождения электрического тока через металлы и через полупроводники. Ряд других особенностей в электриче­ских свойствах полупроводников также указывает на существенные различия между механизмом проводимости металлов и полупроводников.

Удельная проводимость а есть ток, проходящий через единичное сечение под действием электрического поля, напряженность которого равна 1 В/м. Ток этот будет тем больше, чем больше скорость u, приобретаемая в этом поле носителями зарядов, и чем больше концентрация носителей зарядов n, т. е. число их в единице объема. В жидких и твердых телах и неразреженных газах вследствие «тре­ния», испытываемого движущимися зарядами, скорость их пропорциональна напряженности поля. В этих случаях скорость и, соответствующую напряженности поля 1 В/м, называют подвижностью заряда.

Е сли заряды движутся вдоль поля со скоростью и, то в единицу времени через единичное сечение пройдут все заряды, находящиеся на расстоянии и или меньшем от этого сечения (рис. 183). Заряды эти заполняют объем и [м³], и число их равно пи. Пере­носимый ими через единичное сечение в единицу времени за­ряд равен nuq, где q — заряд носителя тока. Следовательно,

Различие в проводимости металлов и полупроводников связано с огромным различием в концентрации носителей тока. Измерения показали, что в 1 м³ металлов имеется 10²⁸—10²⁹ электронов, т. е. на каждый атом металла прихо­дится примерно по одному свободному электрону. В полу­проводниках же концентрация электронов проводимости во много тысяч и даже миллионов раз меньше.

Следующее важное различие в электрических свой­ствах металлов и полупроводников заключается в харак­тере зависимости проводимости этих веществ от темпера­туры. Известно, что при повышении температуры сопротивление металлов растет, т. е. проводимость их уменьшается, проводимость же полупроводников при по­вышении температуры растет. Подвижность электронов в металлах уменьшается при нагревании, а в полупровод­никах она, в зависимости от того, какой температурный интервал рассматривается, может как уменьшаться, так и возрастать с температурой.

Тот факт, что в полупроводниках, несмотря на умень­шение подвижности, проводимость при повышении тем­пературы растет, свидетельствует о том, что при повышении температуры в полупроводниках происходит очень быст­рое возрастание числа свободных электронов, и влияние этого фактора пересиливает влияние уменьшения подвиж­ности. При очень низкой температуре (вблизи 0 К) в по­лупроводниках имеется ничтожно малое число свободных электронов, и поэтому они являются почти совершенными диэлектриками; проводимость их чрезвычайно низка. С воз­растанием температуры число свободных электронов резко возрастает, и при достаточно высокой температуре полу­проводники могут иметь проводимость, приближающуюся к проводимости металлов.

Эта сильная зависимость числа свободных электронов от температуры является самой характерной особенностью полупроводников, резко отличающей их от металлов, в которых число свободных электронов от температуры не зависит. Она указывает на то, что в полупроводниках, для того чтобы перевести электрон из «связанного» состояния, в котором он не может переходить от атома к атому, в «свободное» состояние, в котором он легко перемещается по телу, необходимо сообщить этому электрону некоторый запас энергии W. Эта величина W, называемая энергией ионизации, для разных веществ различна, но, в общем имеет значения от нескольких десятых электронвольта до нескольких электронвольт. При обычных температу­рах средняя энергия теплового движения много меньше этой величины, но, как мы знаем некоторые частицы (в частности, некоторые электроны) имеют ско­рости и энергии значительно большие, чем среднее зна­чение. Определенная, очень небольшая доля электронов имеет достаточный запас энергии, чтобы перейти из «свя­занного» состояния в «свободное». Эти электроны и обус­ловливают возможность прохождения электрического тока через полупроводник даже при комнатной температуре. В тех случаях, которые были рассмотрены выше, до­бавочная энергия, необходимая для освобождения элект­рона, сообщалась ему за счет теплового движения, т. е. за счет запаса внутренней энергии тела. Но эта энергия может передаваться электронам и при поглощении телом световой энергии. Сопротивление таких полупроводников при действии на них света значительно уменьшается. Это явление получило название фотопроводимости или внут­реннего фотоэлектрического эффекта. Приборы, ос­нованные на этом явлении, в последнее время все шире используются в технике для целей сигнализации и авто­матики.

Мы видели, что в полупроводниках лишь очень неболь­шая доля всех электронов находится в свободном состоя­нии и участвует в создании электрического тока. Но не следует думать, будто постоянно одни и те же электроны находятся в свободном состоянии, а все остальные — в связанном. Напротив, в полупроводнике все время идут два противоположных процесса. С одной стороны, идет процесс освобождения электронов за счет внутренней или световой энергии; с другой стороны, идет процесс захвата освобожденных электронов, т. е. воссоединения их с тем или иным из оставшихся в полупроводнике ионов — ато­мов, потерявших свой электрон. В среднем каждый осво­божденный электрон остается свободным лишь очень ко­роткое время — от 10^-3 до 10^-8 с (от одной тысячной до одной стомиллионной секунды). Постоянно некоторая доля электронов оказывается свободной, но состав этих свободных электронов все время изменяется: одни элект­роны переходят из связанного состояния в свободное, другие — из свободного в связанное. Равновесие между связанными и свободными электронами является подвиж­ным, или динамическим.

Движение электронов в полупроводниках. Полупровод­ники с электронной и дырочной проводимостью. В полупроводниках, как и в металлах, электрический ток осуществляется движением электронов. Однако условия и характер движения электронов в полупроводниках отличаются существенными особенностями, и это обусловливает своеобразные элект­рические свойства полупроводников.

В металлах концентрация свободных электронов очень велика, так что большая часть атомов оказывается иони­зованной; практически вся проводимость металлов объяс­няется поведением «свободных электронов». В полупроводниках же, где кон­центрация свободных электронов значительно меньше, нужно учитывать, наряду с движением в электрическом поле этих свободных электронов, и другой процесс, ко­торый может играть не меньшую роль в их проводимости.

С равнительно немногочисленные электроны, сделавшиеся свободными, оторвались от некоторых атомов полупро­водника, которые, таким образом, превратились в ионы. Каждый из таких ионов окружен большим числом нейт­ральных атомов. Нейтральные атомы, находящиеся в не­посредственной близости к иону, могут легко отдавать ему свой электрон, делая ион нейтральным, но сами пре­вращаясь в ионы. Таким образом, этот обмен электронами приводит к тому, что место положительного иона в полу­проводнике меняется, т. е. дело обстоит так, как будто переместился положительный заряд. Итак, наряду с пере­мещением свободных электронов, в полупроводнике может происходить процесс, имеющий характер перемещения положительных зарядов.

Пока в полупроводнике не действует внешнее элект­рическое поле, оба эти процесса имеют хаотический ха­рактер, так что в среднем каждому электрону, смещенному в одном направлении, соответствует перемещение элект­рона в противоположном направлении; то же происходит и с перемещением положительно заряженных мест. Но при наложении поля оба процесса получают преимущест­венное направление: свободные электроны движутся в некотором избытке против поля, а положительные места — в некотором избытке по полю. Оба эти преимущественные перемещения дают ток одного направления (по полю), и результирующая проводимость обусловливается обоими

процессами.

Рис. 184 иллюстрирует описанный процесс. Если мы представим себе цепочку атомов полупроводника, в одном месте которой образовался положительный ион 1, то под действием сил поля будет происходить перенос электрона от атома 2 к иону /, затем от атома 3 к иону 2, от атома 4 к иону 3 и т. д_м а результатом будет перемещение поло­жительного заряженного места в обратном направлении.

Таким образом, в полупроводнике имеет место и дви­жение свободных электронов против поля и перенос их от нейтральных атомов к ионам, равносильный движению положительного заряда по направлению поля.

То место полупроводника, где вместо нейтрального атома имеется положительный ион, называют дыркой и говорят, что ток в проводнике осуществляется частично движением свободных электронов против поля и частично движением дырок по полю. Нужно только помнить при этом, что фактически всегда имеет место только движение электронов, но движение связанных электронов от атомов к ионам приводит к такому результату, как будто движутся положительно заряженные дырки. Встречаясь с дыркой, свободный электрон может воссоединиться с положитель­ным ионом. При этом свободный электрон и дырка исче­зают. Этот процесс называют рекомбинацией.

В идеально чистом полупроводнике без всяких чуже­родных примесей каждому освобожденному тепловым дви­жением или светом электрону соответствовало бы образо­вание одной дырки, т. е. число участвующих в создании тока электронов и дырок было бы одинаково.

Однако такие идеально чистые полупроводники в при­роде не встречаются, а изготовить их искусственно не­обычайно трудно. Малейшие следы примесей коренным образом меняют свойства полупроводников. В одних случаях влияние примесей проявляется в том, что «дыроч­ный» механизм проводимости становится практически не­возможным, и ток в полупроводнике осуществляется только движением свободных электронов. Такие полупроводники называются электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа (от латинского слова nega-iivus — отрицательный). В других случаях невозможным становится движение свободных электронов, и ток осуществляется только движением дырок. Эти полупроводники называются дырочными полупроводниками или полупро­водниками р-типа (от латинского слова positivus — по­ложительный).

Наряду с полупроводниками р- и n-типа, могут быть, разумеется, и полупроводники смешанного типа, в которых заметную роль играет и электронная и дырочная прово­димость. В частности, смешанную проводимость мы имеем в рассмотренном выше беспримесном полупроводнике.

Полупроводниковые выпрямители. В местах контак­та между двумя полупроводниками с разным механизмом проводимости — дырочным и электронным — наблюдается ряд замечательных явлений. Оказывается, что место кон­такта таких полупроводников обладает весьма различной проводимостью в зависимости от того, будет ли электри­ческое поле направлено от р-полупроводника к n-полупроводнику или наоборот. Если, например, привести в соприкосновение закись меди (Cu₂0), имеющую дырочную проводимость, и двуокись титана (TiO₂), имеющую элект­ронную проводимость, то при одном и том же напряже­нии ток в направлении от закиси меди к двуокиси титана будет в 10 000 раз сильнее, чем в обратном направлении. Чтобы понять причину этих явлений, нужно разо­браться в процессах, происходящих на так называемых р — n-переходах, т. е. на границе соприкосновения ды­рочных и электронных полупроводников. В электронном проводнике основными носителями тока являются свобод­ные электроны, число которых гораздо больше, чем число дырок. В дырочном проводнике, наоборот, число дырок гораздо больше, чем число свободных электронов. Когда мы приводим эти два вещества в соприкосновение, то электроны начинают диффундировать из n-полупроводника, где их концентрация выше, в р-полупроводник, где их имеется меньше, подобно тому как атомы растворенного вещества диффундируют из крепкого раствора в слабый, если привести растворы в соприкосновение. Точно так же и по тем же причинам дырки будут диффундировать из дырочного полупроводника в электронный. В результате этого пограничный слой обоих полупроводников обедняется основными носителями, т. е. на границе создается так называемый запирающий слой, сопротивление кото­рого значительно больше, чем сопротивление всей толщи обоих полупроводников. Фактически именно сопротивле­нием этого запирающего слоя и определяется сопротив­ление всего тела.

Естественно возникает вопрос: до каких пор будет происходить уход дырок из р-полупроводника в n-полупроводник и уход электронов в обратном направлении? Ответить на этот вопрос нетрудно. Так как из дырочного полупроводника уходят положительные заряды, а прите­кают в него электроны, то вблизи границы этот полупро­водник заряжается отрицательно. Точно так же пограничный слой электронного полупроводника заряжается поло­жительно, так как сюда притекают дырки, а отсюда ухо­дят электроны. Таким образом, вблизи границы возникает двойной электрический слой, в котором поле направлено от электронного полупроводника к дырочному, т. е. про­тиводействует диффузии электронов и дырок (поле Е на рис. 186). Когда это поле достигнет такой напряженно­сти, что его действие уравновесит стремление свободных электронов и дырок диффундировать в «чужие» области, будет достигнуто равновесие, и дальнейшая диффузия прекратится.

П редставим себе теперь, что мы присоединили пла­стинку к батарее так, что электронный проводник соединен с минусом батареи, а дырочный — с плюсом (рис. 187, а). Внешнее поле, которое сосредоточено преимущественно в запирающем слое, имеющем наибольшее сопротивление, будет направлено от дырочного полупроводника к элект­ронному. Дырки и электроны будут двигаться к границе, навстречу друг другу; встречаясь, они могут рекомбинировать, а на то место будут приходить из электродов новые свободные электроны и дырки и т. д. Сопротивле ние слоя будет сравнительно невелико и ток в этом про­пускном направлении будет большим. Если же мы при­соединим плюс батареи к электронному проводнику, а минус к дырочному, то внешнее поле будет двигать электро­ны и дырки от границы в противоположные стороны (рис. 187, б), запирающий слой будет расширяться, и сопротивле­ние тела резко возрастет. В настоящее время выяснилось, что именно этим меха­низмом обусловлено сильное выпрямляющее действие так называемых медно-закисных (купроксных) и селеновых выпрямителей, разработанных чисто эмпирическим путем, без ясного понимания происходящих в них физических процессов. Медно-закисный выпрямитель представляет со­бой медную пластинку, на которой при температуре свыше 1000 °С наращивается слой закиси меди (Cu₂0); затем при температуре около 600 °С этот слой насыщается кислородом и быстро охлаждается. После этого растворяют кислотой образовавшийся на поверхности закиси слой окиси меди (CuО) и наносят на закись слой металлической меди.

Е сли приготовленную таким образом пластинку вклю­чить в цепь батареи (рис. 188), то оказывается, что при таком направлении тока, когда он идет от закиси меди к медной пластинке, ток очень большой, т. е. сопротивление пластинки очень мало. Если же поменять местами полюсы батареи, т. е. заставить ток идти от медной пластинки к закиси меди, то сила тока станет в тысячи раз меньше, в этом направлении пластинка имеет сопротивление в ты­сячи раз большее. Таким образом, пластинка представляет собой электрический вентиль, подобный двухэлектродной лампе: она пропускает ток в одном направлении и почти не пропускает его в обратном направлении. При­чина явления заключается в том, что на основном медном электроде имеется слой закиси меди, содержащий примеси меди и других металлов; этот слой является электронным полупроводником. Но внешний слой закиси, обогащенный кислородом, является дырочным полупроводником. Таким образом, в толще закиси меди имеется р — n-переход, т. е. существует граница между полупроводниками p- и n-типа. Здесь и возникает запирающий слой, обусловли­вающий одностороннюю проводимость.

Такими же свойствами обладает селеновый выпрями­тель. Он представляет собой нанесенный на никелирован­ную железную пластинку слой селена, поверх которого наносится второй электрод из сплава кадмия, олова и висмута. После длительного прогрева и пропускания тока такая система тоже приобретает свойство односторонней проводимости. В селеновых выпрямителях запирающий слой образуется также на границе между селеном (дыроч­ным полупроводником) и селенистым кадмием, который возникает в процессе обработки пластин и имеет элек­тронный механизм проводимости. Полупроводниковые фотоэлементы. Если в каком-ни­будь полупроводниковом выпрямителе, например медно закисном, селеновом или кремниевом, сделать внешний элек­трод настолько тонким, чтобы он был прозрачен для света, то при освещении полупроводника в цепи, в которую он включен, возникает электрический ток (рис. 191). Таким образом, в этих случаях свет является источником э. д. е., т. е. пластинка полупроводника представляет собой ге­нератор электрического тока, в котором световая энергия преобразуется в электрическую.

П ри сильном освещении полупроводниковые фотоэле­менты могут давать довольно значительную э. д. с. (до 1 В) и довольно большой ток. К. п. д. лучших фотоэлементов превышает 20 %. Поэтому стала реальной возможность их использования в качестве достаточно экономичных источников тока. Эти источники называют солнечными бата­реями, так как их можно использовать для прямого пре­образования энергии излучения Солнца в электрическую. Кремниевые солнечные батареи используются, в частнос­ти, для обеспечения энергией искусственных спутников Земли и космических кораблей. Полупроводниковые фото­элементы широко применяются также для измерения интен­сивности света и для целей автоматики, сигнализации и телеуправления.