3. 6. Собственная и примесная проводимость полупроводников.

Кроме диэлектриков и проводников имеется класс веществ, у которых электропроводность существенно зависит от температуры, называемые полупроводниками. .К полупроводникам относятся некоторые элементы IV, V и VI групп Перио­ди­ческой системы элементов Менделеева (например, Si, Ge, As, Se, Te) и ряд хи­мичес­ких природных и синтезированных соединений. По электрическим свойствам полу­проводники занимают промежуточное положение между проводниками и ди­электри­ками. Например, удельное сопротивление у металлов -_мет10^-8-10^-6 Омм, диэлек­триков - _диэл10⁸-10¹³ Омм, полупроводников - 10^-5-10⁸ Омм.

Рис.3.6. Собственная проводимость герма­ния.

Различают собственные и примесные полупроводники.

К собственным полу­проводникам относятся химически чистые вещества Ge, Se, а также многие соедине­ния: JnSb, GaAs и др. Их про­водимость называется собственной. Рассмотрим кристалл германия. Каждый атом в кри­сталлической решетке Ge связан четырьмя двухэлектрон­ными ковалентными связями с соседними атомами (рис.3.6). Черными кружочками обозначены валентные электроны. При 0 К кристалл германия является диэлектри­ком, т.к. в нем нет свободных носителей заряда. При повышении температуры тепловые колебания решетки приводят к раз­рыву некоторых валентных связей и электроны,, покинувшие свое место, становятся свобод­ными. Это вакантное место, обладающее избыточным по­ложительным за­рядом, назы­вается дыркой, которая может быть занята каким-либо другим сво­бодным электроном. Дви­жение электронов и дырок по кристаллу в отсутствие элек­трического поля является хао­тическим. Под действием электри­ческого поля в кристалле начинается направленное перемещение электронов против поля и дырок по полю, то есть в кристалле появля­ется электрический ток. Таким образом, проводимость в чистых полупроводниках осуществляет­ся двумя типами зарядов - электронами и дырками, ее называют собственной проводимостью, ее величина зависит от темпе­ратуры.

Проводимость полупроводника, обусловленная примесями, называется при­месной проводимостью, а сами полупроводники - примесными полупроводника­ми.

Рис.3.7. Образование примесной электронной проводимости на примере герма­ния с примесью мышьяка.

Рассмотрим кристалл Ge с небольшой добавкой мышьяка As (порядка 0.001%), рис.3.7. Атом As как элемент пятой группы имеет пять валентных электро­нов. При кристаллизации такого расплава, для образования связей с четырьмя соседними ато­мами Ge, атому As требуется 4 электрона. Поэтому пятый его электрон оказывается слабо свя­занным и легко отщепляется при тепловых колебаниях решетки. На атоме As появля­ется избыточный положительный заряд, который связан с атомом и не способен пе­ремещаться по решетке. В отсут­ствии электрического поля движение освобо­дивших­ся электронов беспорядочное, в при­сутствии поля - движение их направлено про­тив поля. Следовательно, появляется электри­ческий ток. Примеси, вызывающие появле­ние электронов проводимости, называются донор­ными, проводимость - электрон­ной, а данный при­месный полупроводник - полупроводник n-типа.

Если в кристалл Ge ввести небольшое количество атомов трехвалентного бора B, то для образования четырех валентных связей в решетке Ge (рис.3.8) атому бора не будет хва­тать одного электрона. Недостающий четвертый электрон может быть за­хвачен у соседнего атома Ge, у которого, в результате этого, образу­ется положи­тель­ная дырка. Присоединив электрон, атом бора пре­вращается в отрицательный ион, не способный к перемещению. Дырки, напротив, не остаются не­подвижными. Захва­тывая электроны соседних атомов Ge, они перемещаются по кристаллу. В электри­ческом

Рис.3.8. Образование примесной дыроч­ной проводимости на при­мере германия с приме­сью бора.

поле они движутся в направле­нии поля. Примеси, вызывающие появ­ление ды­рок, называются акцепторными, проводимость называется дырочной, а сам примесный по­лупроводник - по­лупроводником р-типа.