Електропровідність напівпровідників - студопедія
Зупинимося докладніше па процесі освіти електронів провідності в напівпровідниках. Для конкретності подальших міркувань розглянемо кремнії, що є типовим напівпровідником.
Атом кремнію має порядковий номер у періодичній системі Менделєєва Z = 14. Тому заряд ядра атома кремнію дорівнює + 14е і до складу його атома входить 14 електронів. Однак з них лише чотири є слабо пов'язаними. Саме ці слабо пов'язані електрони беруть участь в хімічних реакціях і обумовлюють чотири валентності кремнію, від чого вони і отримали назву валентних електронів. Решта десять електронів разом з ядром складають кістяк атома, що має заряд + 14е-10е = + 4е. Він оточений чотирма валентними електронами, які рухаються навколо остова і утворюють хмару негативного заряду (рис. 316).
В решітці кремнію розташування атомів таке, що кожен атом оточений чотирма найближчими сусідами. Спрощена плоска схема розташування його атомів показана на ріс.317.
Зв'язок двох сусідніх атомів зумовлена парою електронів, що утворюють так звану парно-електронну, або валентну, зв'язок.
Картина, зображена на рис. 317, відповідає чистому кремнію (про вплив домішок буде сказано нижче) і дуже низькій температурі. В цьому випадку всі валентні електрони беруть участь в утворенні зв'язків між атомами, є структурними елементами і не беруть участь в електропровідності.
При підвищенні температури кристала теплові коливання решітки призводять до розриву деяких валентних зв'язків. В результаті цього частина електронів, що раніше брали участь в утворенні валентних зв'язків, відщеплюється і стає електронами провідності. При наявності електричного поля вони переміщаються проти поля і утворюють електричний струм.
Однак, крім процесу переносу заряду за допомогою електронів провідності, можливий ще й інший механізм електропровідності. Він обумовлений тим, що всякий розрив розрив валентної зв'язку призводить до появи вакантного місця з відсутньою зв'язком. Такі «порожні» місця з відсутніми електронами зв'язку отримали назву «дірок» (рис. 318).
Легко бачити, що виникнення дірок в кристалі напівпровідника створює додаткову можливість для переносу заряду. Дійсно, при наявності дірки будь-якої з електронів зв'язку може перейти на місце дірки. В результаті на цьому місці буде відновлена нормальна зв'язок, але зате з'явиться дірка в іншому місці. У цю нову дірку в свою чергу зможе перейти будь-якої з інших електронів зв'язку і т. Д. Такий процес буде відбуватися багато разів, в результаті чого в освіті струму братимуть участь не тільки електрони провідності, а й електрони зв'язку, які будуть поступово переміщатися , так само як і електрони провідності, проти електричного поля. Самі ж дірки будуть рухатися протилежно, в напрямку електричного поля, т. Е. Так, як рухалися б позитивно заряджені частинки (рис. 319).
Розглянутий процес отримав назву доречний провідності. Отже, в напівпровідниках можливі два різних процесу електропровідності: електронний, здійснюваний рухом електронів провідності, і дірковий, обумовлений рухом дірок.
На перший погляд може здатися, що уявлення про електропровідності за допомогою дірок є вельми штучним і навіть невиправданим, оскільки дірки, т. Е. «Порожні» місця, природно, не можуть переносити електричний заряд, а в дійсності, як ми бачили, перенесення заряду здійснюється переміщенням електронів зв'язку. Справа, однак, полягає в тому, що рух електронів, як уже згадувалося вище, підпорядковується законам некласичної, а квантової механіки. А закони квантової механіки показують, що якщо тільки концентрація дірок мала в порівнянні з концентрацією електронів зв'язку, то прості закони руху виходять лише для дірок, але не для електронів зв'язку. А саме, виявляється, що дірки в електричних і магнітних полях рухаються так само, як рухалися б позитивно заряджені частинки, що володіють зарядом + е і деякої певної масою (взагалі не рівній масі електрона). Тому і всі електричні процеси при наявності дірок відбуваються так, як якщо б поряд з негативними електронами провідності були ще й позитивно заряджені частинки - дірки.
Поряд з переходами електронів з пов'язаного стану у вільний існують зворотні переходи, при яких електрон провідності вловлюється на одне з вакантних місць електронів зв'язку. Цей процес називають рекомбінацією електрона і дірки. У стані рівноваги встановлюється така концентрація електронів (і рівна їй концентрація дірок), при якій число прямих і зворотних переходів і одиницю часу ніш однаково.
Розглянутий процес провідності і зовсім чистих напівпровідниках, позбавлених зовсім хімічних домішок і інших дефектів решітки, отримав назву власної провідності.
Домішкова електропровідність напівпровідників
При наявності домішок електропровідність напівпровідників сильно змінюється. Зазначимо як приклад, що кремній з добавкою фосфору в кількості всього близько 0,001 атомного відсотка має питомий опір при кімнатній температурі близько 0,006 ом · м, тобто його опір зменшується більш ніж в 100 000 разів у порівнянні з абсолютно чистими кристалами.
Такий вплив домішок цілком пояснюється викладеними вище уявленнями про будову напівпровідників. Повернемося знову до конкретного прикладу кремнію і припустимо, що в ньому є атоми хімічної домішки, які заміщають деякі атоми кремнію. В якості домішки розглянемо спочатку який-небудь елемент п'ятої групи, наприклад миш'як. Атом миш'яку як елемент п'ятої групи має п'ять валентних електронів. Але для здійснення парно-електронних зв'язків в решітці кремнію, як ми бачили, необхідні всього чотири електрона. Тому п'ятий електрон атома миш'яку виявляється пов'язаним особливо слабо і може бути легко отщепляя при теплових коливаннях ґрат. При цьому виникає один електрон провідності, а атом миш'яку перетворюється в позитивно заряджений іон. А освіта дірки не відбувається. Подібний процес схематично зображено на рис. 320, а.
Подивимося тепер, як буде вести себе атом домішки будь-якого елементу, що стоїть лівіше в періодичній системі, ніж кремній; нехай це буде бор, що стоїть в третій групі. Атом бору має всього три валентних електрони, в той час як для нормальної валентного зв'язку в решітці кремнію необхідні чотири електрона. Відсутній четвертий електрон буде захоплений з сусідніх місць кристала, у відповідному місці утворюється дірка, а атом бору перетвориться в негативний іон (рис. 320, а). Таким чином, і при наявності бору в кристалі кремнію виявиться можли-вим виникнення струму, але, на відміну від випадку миш'яку, електричний струм тут буде обумовлений рухом дірок, а не електронів.
Отже, електропровідність напівпровідників може бути обумовлена також домішками (домішкових провідність). Домішки, що викликають появу електронів провідності (наприклад, миш'як в кремнії), отримали назву донорних домішок, а домішки, що викликають появу дірок (наприклад, бор в кремнії), названі акцепторними.
Резюмуючи сказане, ми бачимо, що напівпровідники мають ту особливість, що електропровідність в них може бути обумовлена як рухливими електронами, так і дірками. Якщо концентрація електронів в напівпровіднику значно більше кон-центрації дірок, то ми говоримо, що напівпровідник має електронну провідність, або провідність n-типу (від negativ - негативний). Якщо ж значно переважають позитивні дірки, то електропровідність називається доречний, або p - типу (від pozitiv - позитивний). Носії заряду, представлені в більшості (електрони в напівпровіднику n-типу і дірки в напівпровіднику p-типу), отримали назву основних носіїв заряду, а представлені в меншості - неосновних. Якщо ж концентрації електронів і дірок можна порівняти між собою, то ми маємо змішану провідність.
Так, наприклад, кремній з домішкою миш'яку при низьких температурах має тільки примесную провідність і є напівпровідником n-типу. Основні носії заряду в ньому - електрони, а неосновні - дірки. Останні виникають лише в результаті розриву валентних зв'язків і їх кількість при низьких температурах мало. Але при збільшенні температури кількість таких процесів збільшується і з'являється помітна власна провідність. При цьому збільшується і кількість дірок, і електропровідність по типу робиться змішаною. При досить високих температурах домішкових провідність, навпаки, робиться набагато менше, ніж власна, і концентрація дірок стає практично рівною концентрації електронів.