1.2. Електропровідність напівпровідників.

Електропровідність – важливіша властивість твердих тіл – пояснюється рухом вільних електронів (електронів, що втратили валентний зв’язок з ядрами атомів) під дією електричного поля. Такі електрони можуть переміщуватись між атомами і взаємодіяти з іншими електронами, ядрами, електричними полями.

Як вже зазначалось за електропровідністю всі речовини умовно розділяють на провідники, напівпровідники і діелектрики.

1.2.1. Власна електропровідність напівпровідників

В основі роботи напівпровідникових приладів лежить той факт, що вивільнення електрона супроводжується утворенням дірки, причому дірка не є постійною приналежністю одного атому – при переході на її місце електрона з сусіднього атому вільне місце з’являється тепер в іншому зв’язку, тобто разом з хаотичним рухом вільних електронів здійснюється і хаотичний рух дірок, який супроводжується переміщенням валентних електронів з одного міжатомного зв’язку (ковалентного зв’язку) в інший.

Якщо помістити напівпровідник в електричне поле, в ньому хаотичний рух перетворюється у впорядкований – рух вільних електронів в зоні провідності і рух електронів в валентній зоні, тобто дірок. Тільки рух дірок направлений зворотно руху вільних електронів.

Отже носіями електричного струму в напівпровідниках є як від’ємні заряди – електрони, так і позитивні заряди – дірки.

Електропровідність, що обумовлена рухом вільних електронів, називається електронною і позначається буквою n.

Електропровідність, що обумовлена рухом дірок, називається дірковою і позначається буквою p.

В хімічно чистому кристалі напівпровідника¹ кількість дірок завжди дорівнює кількості вільних електронів і електричний струм в ньому утворюється в результаті одночасного переносу зарядів обох знаків. Така електронно-діркова провідність називається власною електропровідністю напівпровідника. При цьому загальний струм в напівпровіднику дорівнює сумі електронного і діркового струмів: J = J_n + J_p, де J – щільність струму, А/см²; J_n – щільність електронної складової струму; J_p – щільність діркової складової струму.

Величина щільності струму залежить від швидкості переміщення носіїв заряду в напівпровіднику, яка пропорційна напруженості електричного поля і рухомості відповідно електронів і дірок. Величина рухомості залежить від типу напівпровідника – структури його кристалічної решітки, хімічного складу, температури і т.д.

Відомо, що щільність струму чисельно дорівнює заряду, що проходить через одиницю площі за одиницю часу. Отже, питома електропровідність напівпровідника залежить від концентрації електронів і дірок і від їх рухомості.

Зауважимо, що чим вища температура, тим вища питома електропровідність напівпровідника. Ця залежність має експоненціальний характер.

1.2.2. Домішкова електропровідність напівпровідників

Чистий напівпровідник має однакові степені електронної і діркової провідності (в розумінні рівної кількості носіїв одного та іншого типів).

Шляхом внесення в чистий напівпровідник певного домішку можна створити напівпровідник, в якому переважала або n-, або p-провідність.

Електропровідність, зумовлена присутністю в кристалі напівпровідника домішок із атомів з іншою валентністю, називається домішковою. Напівпровідник із такою електропровідністю називають домішковим (примесным _рус.).

В кількісному відношенні домішки в чистому напівпровіднику складають 10^–7%.

Ефект збільшення електричної провідності пояснюється присутністю в кристалі напівпровідника атомів елементів іншої валентності.

Домішки, що збільшують електронну провідність, називаються донорними (що віддають), а домішки, що збільшують діркову провідність, – акцепторними (що приєднують).

Для чотирьохвалентних напівпровідників (кремній, германій) донорними домішками є п’ятивалентні елементи (сурма, миш’як, бор та ін.), а акцепторними є трьохвалентні (індій, галій, алюміній та ін.).

• Атом донорного домішку займає місце в кристалічній решітці, при цьому чотири його валентні електрони вступають в ковалентні зв’язки з сусідніми атомами кремнію, а п’ятий, облишений ковалентних зв’язків, слабо пов’язаний з ядром і легко звільняється. Напівпровідники, електропровідність яких підвищилась завдяки утворення надлишку електронів при введені домішку, називаються напівпровідниками з електронною провідністю, або скорочено напівпровідниками типу n.

Атоми домішку мають енергетичні рівні, відмінні від рівнів основного напівпровідника – енергетичні рівні валентних електронів домішкових атомів (цей рівень називають домішковим) близькі до зони провідності основного напівпровідника. Тому вже при кімнатній температурі майже всі електрони з домішкового рівня набувають енергії зони провідності. В зв’язку з цим розподіл ймовірностей Фермі-Дірака, а відповідно і рівень Фермі, зміщується до зони провідності, тобто енергетичний рівень, імовірність знаходження на якому електрона дорівнює 0,5, збільшується майже до рівнів зони провідності.

Концентрація дірок в напівпровіднику з донорним домішком значно менша, ніж в чистому бездомішковому напівпровіднику.

Електрони, що складають переважну більшість рухомих носіїв зарядів в напівпровідниках n-типу, називають основними носіями заряду, а дірки – неосновними.

Отже донорні атоми різко збільшуючи кількість вільних електронів, не збільшують кількості дірок, оскільки ковалентні зв’язки атомів домішку заповнені і не перехоплюють електронів з валентної зони сусідніх атомів.

• Атоми акцепторного домішку, вступаючи трьома своїми валентними електронами в ковалентні зв’язки, залишає одне місце в ковалентному зв’язку незаповненим, тобто утворюється дірка. Внесення акцепторних домішок призводить до утворення дірок і не супроводжується збільшенням числа вільних електронів. Напівпровідники, електропровідність яких зумовлена в основному рухом дірок, називаються напівпровідниками з дірковою провідністю, або скорочено напівпровідниками типу р.

В атомах акцепторного домішку валентні електрони розташовані на енергетичних рівнях, що знаходяться в безпосередній близькості від зони валентних електронів основного напівпровідника. В зв’язку з цим електрони валентної зони легко переходять на домішковий рівень («захоплюються» трьохвалентними атомами домішку). Отже, у валентній зоні з’являється велика кількість дірок. Вони будуть заповнюватись іншими електронами валентної зони, на місці яких утворюються нові дірки і т.д. таким чином, з’являється можливість послідовного зміщення електронів у валентній зоні, що зумовлює підвищення провідності напівпровідника. Розподіл Фермі-Дірака і рівень Фермі в цьому випадку зменшуються в бік валентної зони.

Концентрація електронів в напівпровіднику з акцепторним домішком значно менша, ніж в основному напівпровіднику.

Отже, на відміну від напівпровідників з донорним домішком в напівпровідниках р-типу дірки є основними носіями зарядів, а електрони – неосновними.

Оскільки будь-який напівпровідник має (хоч і незначну) власну провідність, в ньому крім основних носіїв, є невелика частка неосновних. Інакше кажучи в напівпровідниках n-типу є велика кількість вільних електронів і невелика кількість дірок, а в напівпровіднику р-типу – навпаки.