1.1. Собственная электропроводность полупроводниковых материалов

Для того, чтобы вещество обладало электропроводностью, оно должно содержать свободные носители заряда. Такими носителями заряда в металлах являются электроны, а в полупроводниках – электроны и дырки.

Рассмотрим электропроводность собственных полупроводников, т.е. таких веществ, в которых не содержатся примеси и нет структурных дефектов кристаллической решетки (пустых узлов, сдвигов решетки и др.) При температуре 0 К в таком полупроводнике свободных носителей заряда нет. Однако с повышением температуры (или при другом энергетическом воздействии, например, при освещении) часть ковалентных связей может быть разорвана и валентные электроны, став свободными, могут уйти из своего атома .

Потеря электрона превращает атом в положительный ион. В связях на том месте, где раньше был электрон, появляется свободное («вакантное») место – дырка. Заряд дырки положительный и по абсолютному значению равен заряду электрона.

Свободное место – дырку, может заполнить валентный электрон соседнего атома, на месте которого в ковалентной связи образуется новая дырка, и т.д. Таким образом, одновременно с перемещением валентных электронов будут перемещаться и дырки.

Если электрическое поле отсутствует, электроны проводимости совершают хаотическое тепловое движение.

Если полупроводник поместить во внешнее электрическое поле, то электроны и дырки, продолжая участвовать в хаотическом тепловом движении, начнут перемещаться (дрейфовать) под воздействием поля, что и создаст электрический ток. При этом электроны перемещаются против направления электрического поля, а дырки, как положительные заряды, - по направлению поля. Электропроводность собственного полупроводника, возникающая за счет нарушения ковалентных связей, называется собственной электропроводностью.

Процесс образования пары «электрон проводимости – дырка проводимости» называется генерацией пары носителей заряда. Образовавшиеся электронно-дырочные пары могут исчезнуть, если дырка заполняется электроном . Электрон станет несвободным и потеряет возможность перемещения, а избыточный положительный заряд иона атома окажется нейтрализованным. При этом одновременно исчезают и дырка, и электрон. Процесс воссоединения электрона и дырки называется рекомбинацией. При постоянной температуре (и в отсутствие других внешних воздействий) кристалл находится в состоянии равновесия: число генерированных пар носителей заряда равно числу рекомбинированных пар.

1.2. Примесная электропроводность

Если в полупроводник внести примесь, то он будет обладать помимо собственной электропроводности еще и примесной. Примесная электропроводность может быть электронной или дырочной. В качестве примера рассмотрим случай, когда в чистый германий (четырехвалентный элемент) вводится примесь пятивалентного элемента, например, мышьяка (рис.1.1 ).

т

Рис.1.1. Образование свободного электрона при ионизации атомов примеси

олько четыре валентных электрона мышьяка, а пятый электрон оказывается менее сильно связанным с атомом мышьяка. Для того, чтобы этот электрон оторвать от атома, нужно значительно меньше энергии, поэтому уже при комнатной температуре он может стать электроном проводимости, не оставляя при этом в ковалентной связи дырки.

Таким образом, в узле кристаллической решетки появляется положительно заряженный ион примеси, а в кристалле – свободный электрон.

Примеси, атомы которых отдают свободные электроны, называются донорными (донорами).

Внесение в полупроводник донорной примеси существенно увеличивает концентрацию свободных электронов, а концентрация дырок остается такой же, какой она была в собственном полупроводнике.

В примесном полупроводнике электропроводность обусловлена в основном электронами, ее называют электронной, а полупроводники – полупроводниками n-типа. Электроны в полупроводниках n-типа являются основными носителями заряда (их концентрация высока), а дырки – неосновными.

Если в германий ввести примесь трехвалентного элемента (например, индия), то для образования восьмиэлектронной ковалентной связи с германием индию не хватит одного электрона. Одна связь останется незаполненной. При незначительном повышении температуры в незаполненную валентную связь может перейти электрон соседнего атома германия, оставив на своем месте дырку, которая может быть также заполнена электроном и т. д. (рис.1.2).

Т

Рис. 1.2. Образование дырки при ионизации атома примеси

аким образом, дырка как бы перемещается в полупроводнике. Примесный атом превращается в отрицательный ион. Примеси, атомы которых способны при возбуждении принять валентные электроны соседних атомов, создав в них дырку, называют акцепторными или акцепторами. В примесных полупроводниках наряду с примесной электропроводностью существует еще и собственная, обусловленная наличием неосновных носителей.