С.Г. Калашников - Электричество (1115533), страница 73
Текст из файла (страница 73)
й 162. Собственная проводимость полупроводников Остановимся подробнее на процессе образования электронов проводимости в полупроводниках. Для конкретности дальнейших рассуждений рассмотрим кремний, являющийся типичным полупроводником. Атом кремния имеет порядковый номер в периодической системе Менделеева 2 = 14. Поэтому заряд ядра атома кремния равен +14е и в состав его атома входит 14 электронов. Однако из них только четыре слабо связаны. Именно эти слабо связанные элек- ~Я троны участвуют в химических ре- Я акциях и обусловливают четыре валентности кремния, отчего они и получили название взлентных элекРис. 269.
Атом кремния и че- троноВ. Остальные десять злектротмре его веленевые связи нов вместе с ядром составляют остов атома, имеющий заряд +14е— — 10е = +4е. Он окружен четырьмя валентными электронами, которые движутся вокруг остова и образуют облако отрицательного заряда (рнс. 259).
В решетке кремния расположение атомов таково, что каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Упрощенная плоская схема расположения атомов в кристалле кремния показана на рис. 260. Связь двух соседних атомов обусловлена парой электронов, образующих так называемую парно-электронную, или валентную, связь. Я Б1 Я Картина, изображенная на рис.
260, соответствует чистому кремнию (о влиянии примесей будет сказано ниже) и очень низкой тем- Рис 260 Пери аеект е пературе. В этом случае все валент- свези е кристалле кремния ные электроны участвуют в образовании связей между атомами, являются структурными элементами и не участвуют в электропроводности.
При повышении температуры кристалла тепловые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей. В результате часть электронов, ранее участвовавших в образовании валентных связей, отщепляется и становится электронами 1 152 СОБСТВЕННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ 351 ° ° проводимости. При наличии электрического поля они перемещаются против поля и образуют электрический ток. Однако, кроме процесса переноса заряда с помощью электронов проводимости, возможен еще и другой механизм электропроводности.
Он обусловлен тем, что всякий разрыв валентной связи приводит к появлению вакантного места с отсутствующей связью. Такие «пустые» места с отсутствующими электронами связи получили название дырок (рис. 261). Легко видеть, что возникновение дырок в кристалле — -.«й полупроводника создает дополни- р и тельную возможность для пере- т она п оводимос и и ды ки в носа заряда, Действительно~ при решетке кремния наличии дырки какой-либо из электронов связи может перейти на место дырки.
В результате на этом месте будет восстановлена нормальная связь, но зато появится дырка в другом месте. В новую дырку В свою очередь сможет перейти какой-либо из других электронов связи и т.д. Такой процесс будет происходить многократно, в результате че- го в образовании тока будут ° ~у ° ° ° ° принимать участие не только электроны проводимости, но и ° ° О, ° ° ° электроны связи, которые бу- дут постепенно перемещаться, ° ° е О е так же как и электроны проводимости, против электрического поля. Сами же дырки будут ° е е е 0 двигаться противоположно, в направлении электрического ° ° ° ° ° о Ф поля, т.е.
так, как двигались бы положительно заряженные частицы (рис. 262). Рис. 262. Схема дырочной проводи- Рассмотренный процесс поэлектроны, светлые кружки — ва- "1У'п«11 название дырочнои нрокантные места (дырки) водил«осгпн. Следовательно, в полупроводниках возможны два различных процесса электропроводности: электронный, осуществляемый движением электронов проводимости, и дырочный, обусловленный движением дырок. На первый взгляд может показаться, что представление об электропроводности с помощью дырок весьма искусственно и даже неоправдано, так как дырки, т.е. «пустые» места, естественно, не могут переносить электри- 352 пРиРОдл тОкА в метлллАх и ззОлупРОВОдникАх гл х1к ческий заряд, а в действительности, как мы видели, перенос заряда осуществляется перемещением электронов связи Дело, однако, заключается в том, что движение электронов, как уже упоминалось (З 149), подчиняется законам не классической, а квантовой механики.
А законы квантовой механики показывают, что если только концентрация дырок мала по сравнению с концентрацией электронов связи, то простые законы движения получаются лишь для дырок, но не для электронов связи. А именно, оказывается, что дырки в электрических и магнитных полях движутся так же, квк двигались бы положительно заряженные частицы, обладающие зарядом +е н некоторой определенной массой (вообще не равной массе электрона) Поэтому н все электрические процессы при наличии дырок происходят так, как если бы нарклу с отрицательными электронами проводимости имелись еще н положительно заряженные частицы — дырки.
Наряду с переходами электронов нз связанного состояния в свободное существуют обратные переходы, при которых электрон проводимости улавливается на одно из вакантных мест электронов связи. Этот процесс называют реномбпыацисй элекгпрона и дырки. В состоянии равновесия устанавливается такая концентрация электронов (и равная ей концентрация дырок), при которой число прямых и обратных переходов в единицу времени одинаково. Рассмотренный процесс проводимости в совершенно чистых полупроводниках, лишенных вовсе химических примесей и других дефектов решетки, получил название собсглвеыной проводимости. й 153.
Примесная проводимость полупроводников При наличии примесей электропроводность полупроводников сильно изменяется. Укажем в качестве примера, что кремний с добавкой фосфора в количестве всего около 0,001 ат. % имеет удельное сопротивление при комнатной температуре около 0,006 Ом м, ще. его сопротивление уменьшается более чем в 100000 раз по сравнению с совершенно чистыми кристаллами.
Такое влияние примесей вполне объясняется изложенными выше представлениями о строении полупроводников. Вернемся опять к конкретному примеру кремния и предположим, что в нем имеются атомы химической примеси, замещающие некоторые атомы кремния. В качестве примеси рассмотрим сначала какой-либо элемент пятой группы, например мышьяк. Атом мышьяка как элемент пятой группы имеет пять валентных электронов. Но для осуществления парно-электронных связей в регпетке кремния, как мы видели, необходимы всего четыре электрона. Поэтому пятый электрон атома мышьяка оказывается связанным особенно слабо и может быть легко отщеплен при тепловых колебаниях ре1петки. Тогда возникает один электрон проводимости, а атом мышьяка превращается в положительно заряженный г 155 ПРИМВСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ 353 ион.
Образование же дырки не происходит. Подобный процесс схематически изображен на рис. 263 а. Посмотрим теперь, как будет вести себя атом примеси какого-либо элемента, стоящего левее в периодической системе, нежели кремний; пусть это будет бор, стоящий в третьей группе. Атом борь имеет всего три валентных электрона, в то время как для нормальной вэлентной связи в решетке кремния необходимы четыре электрона. Недостающий четвертый электрон будет Рис.
263. Атомы мышьяка (а) и бора (6) в решетке кремния захвачен из соседних мест кристалла, в соответствующем месте образуется дырка, а атом бора превратится в отрицательный ион (рис. 2б3б). Таким образом, и при наличии бора в кристалле кремния окажется возможным возникновение тока, но, в отличие от случая мышьяка, электрический ток здесь будет обусловлен движением дырок, а не электронов.
Следовательно, электропроводность полупроводников может быть обутловлена также примесями (примесггал проводимость). Примеси, вызывающие появление электронов проводимости (например, мышьяк в кремнии), получили название донормих примесей, а примеси, вызывающие появление дырок (например, бор в кремнии), названы акцепторггвгми. Резюмируя сказанное, мы видим, что полупроводники обладают той особенностью, что элсктропроводность в них может быть обусловлена как подвижными электронами, так и дырками. Если концентрация электронов в полупроводнике значительно больше концентрации дырок, то мы говорим, что полупроводник имеет элекгпроннрю проводимость, или проводимость п-типа. Если же значительно преобладают положительные дырки, то электропроводность называется дирочнай, или р-типа. Носители заряда, представленные в большинстве (электроны в полупроводнике гг-типа и дырки в полутгроводнике р-типа), получили название основных носителем заряда, а представленные в меньшинстве — неосновных.
Если же концентрации электронов и дырок сравнимы между собой, то мы имеем смешанную проводимость. Так, например, кремний с примесью мышьяка при низких температурах имеет только примесную проводимость и являет- 354 пРиРОДА тОкА В мвтАллАх и пОлУпРОВОДникАх гл х1ч ся полупроводником и-типа. Основные носители заряда в нем— электроны, а неосновные — дырки Последние возникают лишь в результате разрыва валентных связей и их концентрация при низких температурах мала Но при увеличении температуры примесная проводимость, напротив, делается гораздо меньше, нежели собственная, и концентрация дырок становится практически равной концентрации электронов. $ 154.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
