Электрический ток в полупроводниках
Полупроводники занимают промежуточное положение по электропроводности (или по удельному сопротивлению) между проводниками и диэлектриками. Однако это деление всех веществ по их свойству электропроводности является условным, так как под действием ряда причин (примеси, облучение, нагревание) электропроводность и удельное сопротивление у многих веществ весьма значительно изменяются, особенно у полупроводников.
В связи с этим полупроводники от металлов отличают по целому ряду признаков:
удельное сопротивление у полупроводников при обычных условиях гораздо больше, чем у металлов;
удельное сопротивление чистых полупроводников уменьшается с ростом температуры (у металлов оно растет);
при освещении полупроводников их сопротивление значительно уменьшается (на сопротивление металлов свет почти не влияет):
ничтожное количество примесей оказывает сильное влияние на сопротивление полупроводников.
К полупроводникам принадлежат 12 химических элементов в средней части таблицы Менделеева — В, С, Ge, Sn, Ρ, Те, Se, I, Sb, As, S, Si, соединения элементов третьей группы с элементами пятой группы, многие оксиды и сульфиды металлов, ряд других химических соединений, некоторые органические вещества. Наибольшее применение для науки и техники имеют германий Ge и кремний Si.
Полупроводники могут быть чистыми и с примесями. Соответственно различают собственную и примесную проводимость полупроводников. Примеси в свою очередь делят на донорные и акцепторные.
Электрический ток в полупроводниках создается упорядоченным движением электронов и дырок в двух противоположных направлениях, что будет рассмотрено ниже.
Собственная электрическая проводимость полупроводников и ее зависимость от температуры и освещенности
Для понимания механизма электрической проводимости в полупроводниках рассмотрим строение полупроводниковых кристаллов и природу связей, удерживающих атомы кристалла друг возле друга. Кристаллы германия и других полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку. Плоская схема структуры германия показана на рисунке 1.
Рис. 1
Германий — четырехвалентный элемент, во внешней оболочке атома есть четыре электрона, слабее связанных с ядром, чем остальные. Число ближайших соседей
каждого атома германия также равно 4. Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется посредством парноэлектронной — ковалентной связи.
В ее образовании участвует по одному электрону от каждого атома. Эти ковалентные связи при низких температурах достаточно прочны, и свободных электронов в кристалле почти нет. Поэтому полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток. Участвующие в связи валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле почти не влияет на их движение.
Электропроводимость химически чистого полупроводника возможна в том случае, когда ковалентные связи в кристаллах разрываются и появляются свободные электроны. Например, нагревание даже до небольших температур приводит к разрыву ковалентных связей, появлению свободных электронов и возникновению собственной электронной проводимости чистого полупроводника (проводимости n-типа). После ухода электрона со своего места в этой области кристалла нарушилась его нейтральность. В том месте, откуда ушел электрон, возникает избыточный положительный заряд — образуется положительная "дырка" (рис. 1). Она обладает положительным зарядом, равным по модулю заряду электрона. На освободившееся от электрона вакантное место — дырку — может перескочить другой электрон, а это эквивалентно перемещению дырки в направлении, противоположном направлению движения электрона. В отсутствие внешнего электрического поля эти свободные электроны и дырки движутся в кристалле полупроводника хаотически.
Во внешнем электрическом поле электроны перемещаются в сторону, противоположную направлению напряженности электрического поля. Положительные дырки перемещаются в направлении напряженности электрического поля (рис. 2). Процесс перемещения электронов и дырок во внешнем поле происходит по всему объему полупроводника.
Рис. 2
Электропроводность чистого полупроводника, обусловленная упорядоченным перемещением дырок, называется собственной дырочной проводимостью (проводимость p-типа). Общая удельная электропроводность полупроводника складывается из проводимостей n-типа и p-типа. При этом у чистых полупроводников число электронов проводимости всегда равно числу дырок.
Дополнительная энергия, которая должна быть затрачена, чтобы разорвать парноэлектронную связь и сделать электрон свободным, называется энергией активации. Получить эту энергию электроны могут при нагревании кристалла, при облучении его высокочастотными электромагнитными волнами и т.д.
С повышением температуры возрастает число разрывов ковалентных связей и увеличивается количество свободных электронов и дырок в кристаллах чистых полупроводников, а следовательно, возрастает удельная электропроводность и уменьшается удельное сопротивление чистых полупроводников. График зависимости удельного сопротивления чистого полупроводника от температуры приведен на рис. 3.
Рис. 3
Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и, как следствие, возникновение собственной проводимости полупроводников и уменьшение удельного сопротивления могут быть вызваны освещением (фотопроводимость полупроводника), а также действием сильных электрических полей.