И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Электропроводность полупроводников подробно рассматривается в следующих параграфах. В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используются германий (Се) и кремний (Б!), имеющие валентность, равную 4. Внешние оболочки атомов германия или кремния имеют четыре валентных электрона.

Пространственная кристаллическая решетка состоит из атомов, связанных друг с другом валент- ными электронами. Такая связь, называемая ковалентнпй или парнпзлектрпннпй, изображена на рис. 13. Как видно, вокруг каждой пары атомов движутся по орбитам два валентных электрона, показанные на рисунке жирными точками. В условном плоскостном изображении такой кристаллической решетки (рис. 1.4) ковалентные связи показаны в виде прямых линий, а электроны— по-прежнему в виде точек (иногда для упрощения электроны вообьце не показывают).

1.2. СОБСТВЕННАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ И ДЫРОЧНАЯ ЭЛЕКТРОНРОВОДНОСТЬ. ТОК ДРЕЙФА Полупроводники представляют собой вещее~на, которые по удельной электрической проводимости ' занимают среднее положение между проводниками и диэлектриками. При Т= 300 К у проводников удельная электрическая проводимость 10л— 10 См/см (напомним, что 1 См/см есть проводимость 1 смз вещества), у диэлектриков она меньше 10 'с См/см, а у полупроводников ее значения находятся в пределах от 10 'и до 10л См/см.

Как видно, для полупроводников характерен очень широкий диапазон удельной проводимости. Большинство веществ относится именно к полупроводникам. В настоящее время для полупроводни- ь ь Рис. !.4. Плоскостная схема кристалличе- ской решетки германия ' Следует различать термины злекьпрапуаладяасть и удельная злехьпуическая праяадинасть. Элсктрппрпвпднпсть — свойство вещества проводить электрический тпк, а удельная электрическая проводимость есть величина, характеризующая злектрппрпвпдность вещества. 21 ковых приборов помимо германия и кремния применяются некоторые химические соединения, например арсенид галлия ОаАз, антимонид индия 1пБЬ, фосфид индия 1пр и др.

Для полупроводников характерен отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления. При возрастании температуры сопротивление полупроводников уменьшается, а не увеличивается, как у большинства твердых проводников..Кроме того, электрическое сопротивление полупроводников очень сильно зависит от количества примесей, а также от таких внешних воздействий, как свет, электрическое поле, ионизирующее излучение и др. Принцип работы полупроводниковых диодов и транзисторов связан с тем, что в полупроводниках су!цествует электропроводность двух видов. Так же как и металлы, полупроводники обладают алек!ирвиной электроироводносгиью, которая обусловлена перемещением электронов проводимости.

При обычных рабочих температурах в полупроводниках всегда имеются электроны проводимости, которые очень слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое движение (колебания) между атомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием разности потенциалов могу~ начать двигаться в определенном направлении. Такое дополнительное движение и есть электрический ток. Полупроводники обладают также оырочиой электропровооиостью, которая не наблюдается в металлах. Она является особенностью полупроводников, и поэтому ее надо рассмотреть более подробно. В атоме полупроводника под влиянием тепловых или других воздействий один из более удаленных от ядра валентных электронов переходит в зону проводимости.

Тогда атом будет иметь положительный заряд, численно равный заряду электрона. Такой атом можно назвать положительным ионом. Но надо иметь в виду, что при ионной электроироводиосо!и, например в электролитах, ток представляет собой движение ионов (саь!о слово «ион» означает «путешественник»), а при дырочной злектроцроводности механизм перемещения электрических зарядов иной. В полупроводниках кристаллическая решетка достаточно прочна. Ее ионы не передвигаются, а остаются на своих местах. Отсутствие электрона в атоме полупроводника условно назвали дыркой.

Этим подчеркивают, что в атоме не хватает одного электрона, т. е. образовалось свободное место. Дырки ведут себя, как элементарные положительные заряды. Возникновение дырки поясняется с помощью знакомой нам плоскостной модели полупроводника (рис. 1.5). Один из электронов, участвующих в ковалентРис, !.5. Возникновение пары электрон— дырка ной связи, получив дополнительную энергию, становится электроном проводимости, т.

е. свободным носителем заряда, и может перемешаться в кристаллической решетке. А его прежнее место. теперь свободно. Это и есть дырка, изображенная на рисунке светлым кружком. При дырочной электропроводности под влиянием приложенной разности потенциалов перемещаются дырки, что эквивалентно перемещению положительных зарядов. Такой процесс показан на рис. 1.6, где изображено для различных моментов времени несколько атомов,' расположенных вдоль полупроводника.

Пусть в начальный момент времени (рис. 1.6,а) в крайнем атоме слева (1) появилась дырка, вследствие того что из атома ушел электрон. Атом 1 Я Ю Ф Е Ю а) ©~О+) ©+ Я+~ ~Е) ®' ) С®3 ®~В Ж О® С®~ 8)Я+) ®©+$+) ®® я) ((+Э (О+) (Е) © ~О+) ~Е) д) «.~+Э Ою ©+ Оэ © (Й+ а) «е) (о+) (С) (о+й Я) © Рнс, 1.6. Принцип дырочной электропро- водности с дыркой (заштриховано) имеет положительный заряд и может притянуть к себе электрон из соседнего атома 2. Если'в полупроводнике действует электрическое поле (разность потенциалов), то это поле стремится двигать электроны в направлении от отрицательного потенциала к положительному.

Поэтому в следующий момент (рис. 1.6,б) из атома 2 один электрон перейдет в атом 1 и заполнит дырку, а новая дырка образуется в атоме 2. Далее один электрон из атома 3 перейдет в атом 2 и заполнит в нем дырку. Тогда дырка возникнет в атоме 3 (рис. 1.б,а) и т. д. Такой процесс будет продолжаться, и дырка перейдет из крайнего левого атома в крайний правый. Иначе говоря, первоначально возникший в атоме 1 положительный заряд перейдет в атом б (рис.

1.б,е). Как видно, при дырочной злектропроводности в действительности тоже перемещаются электроны, но более ограниченно, чем при электронной электропроводности. Электроны переходят из данных атомов только в соседние. Результатом этого является перемещение положительных зарядов — дырок — в направлении, противоположном движению электронон. Можно провести для наглядности следующую аналогию. Представим себе зал с рядами кресел, заполненных зрителями (в этом примере зрители играют роль электронов).

Пусть один зритель из первого ряда ушел, а в освободившееся кресло пересел зр)чтель из второго ряда. В свою очередь, в кресло второго ряда, ставшее свободным, пересел зритель из третьего ряда и т. д. Когда освободилось место в предпоследнем ряду, на него перешел зритель рз последнего ряда. Свободное место, аналогичное дырке, перешло из первого ряда в последний, хотя все кресла оставались на своих местах и пересаживались лншь зрители двух соседних рядов. Произошло это потому, что ушел зритель из первого ряда, а каждый следующий зритель стремился занять место ближе к сцене. Электропроводность полупроводников наиболее правильно может быль объяснена их энергетической структурой (рис.

1.7). Как мы знаем, ширина запрещенной зоны у полупроводников сравнительно невелика (для германия 0,72 эВ, а для кремния 1,12 эВ). При температуре абсолютный нуль полупроводник, не содержащий примесей, является диэлектриком, в нем нет электронов и дырок проводимости. Но при повышении температуры злектропроводность полупроводника возрастает, так как электроны валентной зоны получают при нагреве дополнительную энергию и за счет этого все большее их число преодолевает запрещенную зону и переходит из валентной зоны в зону проводимости. Этот переход показан на рис. 1.7 сплошной стрелкой.

Таким образом, появляются электроны проводи- > Лова аяаВади- насии > запрещенная яана > Лаяевгпвая зава Рнс. !.7. Энергетическая структура полупроводника 23 мости и возникает электронная злектропроводность. Каждый электрон, перешедший в зону проводимости, оставляет в валентной зоне свободное место— дырку, т. е. в валентной зоне возникают дырки проводимости, число которых равно числу электронов, перешедших в зону проводимости. Следовательно, вместе с электронной создается и дырочная злектропроводность. Электроны и дырки, которые могут перемещаться и поэтому создавать злектропроводность, называют нодвилсными носителями заряда или просто носителями заряда. Принято говорить, что под действием теплоты происходит генерация пар носителей заряда, т. е. возникают пары электрон проводимости — дырка проводимости.

Генерация пар носителей может происходить также под действием света, электрического поля, ионизирующего излучения и др. Вследствие того что электроны н дырки проводимости совершают хаотическое тепловое движение, обязательно происходит и процесс, обратный генерации пар носителей. Электроны проводимости снова занимают свободные места в валентной зоне, т. е. объединяются с дырками.

Характеристики

Список файлов книги