Электроника_Книга (Электроника), страница 2

Самым распространенным в природе полупроводником является элемент четвертой группы таблицы Менделеева крем6ний (Si), составляющий около 30 % земной коры. Рассмотрим на егопримере механизм проводимости чистых полупроводников.Атомы кремния на внешней оболочке имеют четыре валентныхэлектрона.

В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристаллекремния является ковалентной, то есть осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двуматомам (рисунок 1.2). Валентные электроны в кристалле кремниясвязаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах, поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов.

Вблизиабсолютного нуля температуры в кристалле кремния все электронызаняты в образовании связей. Такой кристалл электрического токане проводит (рисунок 1.2, а).абРисунок 1.2 – Электронные связи в кристалле кремнияпри температуре Т = 0 К (а) и образование электронно-дырочной парыпри комнатной температуре (б)При повышении температуры некоторая часть валентных электронов получает энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. В кристалле возникают свободные электроны n (negative — отрицательный). Одновременно в местах разрыва связей образуютсявакансии, которые не заняты электронами (рисунок 1.2, б).

Эти вакансии получили название дырок p (positive — положительный). Онимогут рассматриваться как частицы с зарядом, равным заряду электрона, но с противоположным (положительным) знаком.Рассмотрим процесс образования электронно-дырочной парына примере рисунка 1.2, б. Допустим, что при повышении температуры произошел разрыв ковалентной связи в кристалле кремния.7В результате этого образовался электрон nС1 , отрицательно заряженная частица, и его пустое место – дырка рС1 , которое можно считать положительно заряженной частицей (рисунок 1.2, б). ЭлектронnС1 начинает движение по кристаллу. Он является свободной частицей, которая может участвовать в проводимости. Дырка рС1 начинает притягивать электроны соседних атомов.

Какой-то из них, например nС2 , разрывает свою ковалентную связь и заполняет дыркурС1 , тем самым ликвидируя ее. На месте nС2 образуется новая дырка – рС2 , которая начинает притягивать другие электроны. Такимобразом, как это показано на рисунке 1.2, б, пустое место электрона(дырка) перемещается от рС1 к рС4 . Это явление может рассматриваться как движение положительного заряда, который также можетучаствовать в проводимости.При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочныхпар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой восстанавливается электронная связь между атомами кремния.

Этот процесс называется рекомбинацией.Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещенииполупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. Приотсутствии электрического поля электроны проводимости и дыркиучаствуют в хаотическом тепловом движении.Если к полупроводнику приложить внешнее напряжение UА, тов упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Электроны будут двигаться к «+», а дырки – к «–» источника напряжения. Поэтому ток в полупроводнике складываетсяиз электронного In и дырочного Ip токов: I = In + Ip.Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: Nn = Np. Такое соотношение соответствуетпроводимости только чистых (то есть без примесей) полупроводников. Она называется собственной электрической проводимостью полупроводников.Качественное отличие полупроводников от металлов проявляетсяв зависимости удельного сопротивления от температуры.

С понижением температуры сопротивление металлов падает, и при температурах, близких к абсолютному нулю, оно стремится к нулю. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивлениевозрастает, и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами. Это говорит о том, что у полупроводников концен8трация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры.1.2.2 Примесная проводимостьВ кристалле полупроводника можно создать искусственным путемтакие условия, при которых число электронов не будет равно числудырок и, следовательно, электропроводность его будет вызыватьсядвижением электрических зарядов преимущественно какого-либоодного знака: либо электронов, либо дырок.

Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника — в тысячи и даже миллионы раз. Так, добавка в кристалл кремния примесей фосфора в количестве всего 0,001 атомного процента уменьшаетудельное сопротивление полупроводника более чем в 105 раз.1.2.2.1 Примесная электронная проводимостьПолупроводниками n-типа называются полупроводники с избытком электронов — отрицательно заряженных частиц. Для их получения необходимо в кристалл полупроводника четвертой группы внедрить элементы пятой группы – мышьяк (As) или сурьму (Sb).Изменения в кристаллической решетке кремния при введениипримесей мышьяка (As) показаны на рисунке 1.3.

Здесь и далее электроны в ковалентных связях не показаны.Рисунок 1.3 – Кристаллическая решетка кремния (Si) с введеннымиатомами мышьяка (As) — полупроводник n-типаПри введении мышьяка в кристалл кремния четыре валентныхэлектрона мышьяка вступают в ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния, а пятый электрон оказывается незанятым. Малейшее воздействие световых или тепловых лучей приво9дит к тому, что электроны отрываются от ядер, образуя свободныеэлектроны nП1 — nП3 , а атомы мышьяка, из-за отсутствия электронов, превращаются в положительно заряженные ионы И1 — И3 (рисунок 1.3). При этом весь кристалл полупроводника остается электрически нейтральным.Возможны также разрывы ковалентных связей между основными атомами кремния, при этом образуются электроны nС и дыркирС собственной проводимости (рисунок 1.3).Таким образом, в полупроводниках n-типа присутствуют:1) электроны nП , которые получены добавлением примеси, ихчисло достаточно велико и они в основном осуществляют проводимость, которая в данном случае называется примесной электроннойпроводимостью;2) электроны nС , которые возникают при разрыве ковалентныхсвязей, их число очень мало и они участвуют в собственной проводимости;3) дырки рС , которые возникают при разрыве ковалентных связей, их число очень мало и они участвуют в собственной проводимости.Так как в полупроводниках n-типа число электронов значительно превышает число дырок (Nn >> Np), то основными носителями вних являются электроны, неосновными — дырки.Примеси, вызывающие избыток электронов, называются донорными (донор – поставщик).При приложении внешнего напряжения UА к n-полупроводникуон ведет себя как обычный резистор с сопротивлением несколькобольшим сопротивления проводников.

Электроны nП и nС движутсяк «+», а дырки pС — к «–» источника напряжения.1.2.2.2 Примесная дырочная проводимостьДля получения полупроводников p-типа с избытком дырок в кристалл полупроводника четвертой группы вводят примеси элементовтретьей группы — индий (Jn) или галлий (Ga). Изменения в кристаллической решетке кремния при введении примесей индия (Jn) показаны на рисунке 1.4.Три валентных электрона индия вступают в ковалентную связь стремя соседними атомами кремния, а четвертая связь оказывается незаполненной. В результате разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки) р П1 — р П3 (рисунок 1.4).10На эти места могут перескакивать электроны n1 — n3 из соседнихковалентных связей, на месте которых появляются новые дырки pП1'— pП3 '.

Это приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу. Атомы индия, которые приобрели электроны, превращаются в отрицательно заряженные ионы И1 — И3 (рисунок 1.4). При этом веськристалл полупроводника остается электрически нейтральным.Возможны также разрывы ковалентных связей между основными атомами кремния, при этом образуются электроны nС и дыркирС собственной проводимости (рисунок 1.4).Рисунок 1.4 – Кристаллическая решетка кремния (Si) с введеннымиатомами индия (Jn) — полупроводник р-типаТаким образом, в полупроводниках р-типа присутствуют:1) дырки р П , которые получены добавлением примеси, их числодостаточно велико и они в основном осуществляют проводимость,которая в данном случае называется примесной дырочной проводимостью;2) электроны nС , которые возникают при разрыве ковалентныхсвязей, их число очень мало и они участвуют в собственной проводимости;3) дырки рС , которые возникают при разрыве ковалентных связей, их число очень мало и они участвуют в собственной проводимости.Так как в полупроводниках р-типа число дырок значительно превышает число электронов (Nр >> Nn), то основными носителями в нихявляются дырки, неосновными — электроны.11Примеси, вызывающие избыток дырок, называются акцепторными (акцептировать – захватывать).Следует особо подчеркнуть, что как таковой дырочной проводимости в действительности не существует.