Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости

Существует широкий класс веществ, по удельной проводимости занимающие промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Эти вещества принято называть полупроводниками.

К полупроводникам относят двенадцать химических элементов в средней части таблицы Менделеева, множество оксидов и сульфидов металлов, а также других химических соединений.

Давайте изучим основные свойства проводников с помощью двух простых опытов. Для этого соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, ключа, чистого полупроводника и миллиамперметра. Замкнём цепь. Амперметр нам показывает, что по цепи идёт достаточно слабый ток. А теперь нагреем исследуемый полупроводник.

Нетрудно заметить, как по мере роста его температуры сила тока в цепи возрастает. Это свидетельствует о том, что удельное сопротивление полупроводников с увеличением температуры не растёт как у металлов, а, наоборот, достаточно резко уменьшается. При этом зависимость сопротивления полупроводников от температуры является нелинейной. С понижением же температуры сопротивление полупроводников возрастает и вблизи абсолютного нуля становится таким же большим, как и у диэлектриков.

Давайте вернём наш полупроводник в исходное состояние, но теперь будем не нагревать его, а освещать при помощи обычного фонарика. Изменяя освещённость поверхности полупроводника, мы наблюдаем изменение показаний миллиамперметра. Результаты наших наблюдений означают, что при освещении поверхности полупроводника его сопротивление уменьшается.

Экспериментально установлено, что при прохождении электрического тока в чистых полупроводниках, как и в металлах, никаких химических изменений не происходит, то есть перенос заряда при прохождении тока не сопровождается переносом вещества.

Давайте рассмотрим механизм проводимости чистых полупроводников на примере кристалла германия, валентность атомов которого равна четырём. Такая валентность говорит нам о том, что атомы германия на внешней оболочке имеют четыре сравнительно слабо связанных с ядром валентных электрона. При этом каждый атом кристалла связан с четырьмя соседними атомами посредством парноэлектронной — ковалентной связи. То есть два соседних атома объединяют два своих валентных электрона (по одному от каждого атома), которые образуют электронную пару. Поэтому все валентные электроны атома германия участвуют в образовании ковалентных связей.

При температурах, близких к абсолютному нулю, ковалентные связи германия достаточно прочны, поэтому свободные электроны отсутствуют, и германий является диэлектриком.

Для того чтобы разорвать ковалентную связь и сделать электрон свободным, кристаллу германия необходимо сообщить некоторую энергию, например, нагревая кристалл. При этом часть электронов получает энергию, достаточную для того, чтобы покинуть атомы и стать свободными, подобно электронам в металлах. В электрическом поле они перемещаются между узлами решётки, создавая электрический ток.

Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью.

Нейтральный атом, которому принадлежал освободившийся электрон, становится положительно заряженным ионом, а в ковалентных связях образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой.

Одновременно с процессом возникновения свободных электронов и дырок происходит процесс, при котором один из электронов (не свободный, а обеспечивающий ковалентную связь) перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает ковалентную связь. При этом положение дырки меняется, что можно моделировать как её перемещение. Таким образом, при отсутствии внешнего электрического поля в кристалле полупроводника наблюдается беспорядочное перемещение свободных электронов и дырок, концентрации которых в чистом полупроводнике одинаковые.

Дырки считают подвижными носителями положительного заряда, который равен модулю заряда электрона. Проводимость, обусловленная движением дырок, называется дырочной проводимостью полупроводников.

Конечно же дырок как положительных зарядов, существующих реально, в действительности нет. Тем не менее представление о них является хорошей физической моделью, которая даёт возможность рассматривать электрический ток в полупроводниках на основе законов физики.

При наличии внешнего электрического поля на хаотическое движение свободных электронов и дырок накладывается их упорядоченное движение, то есть возникает электрический ток. Причём движение свободных электронов происходит в направлении, противоположном направлению напряжённости внешнего электрического поля, а движение дырок совпадает с направлением напряжённости поля

Проводимость, обусловленная движением свободных электронов и дырок в чистом полупроводнике, называют собственной проводимостью полупроводника.

Но изменить свойства полупроводников можно не только нагреванием или воздействием электромагнитного излучения, но и добавлением в чистый полупроводник примесей.

Проводимость, обусловленную наличием примесей в полупроводнике, называют примесной проводимостью полупроводника.

Рассмотрим механизм этой проводимости на примере кристалла германия, содержащего примесь атомов мышьяка, валентность которых равна пяти.

Итак, четыре валентных электрона атома мышьяка образуют ковалентные связи с соседними атомами германия. Пятые электроны атомов мышьяка не задействованы в образовании ковалентных связей и могут свободно перемещаться, почти как электроны в металлическом проводнике. Проводимость такого кристалла будет преимущественно электронной. Такие полупроводники называют электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа (от латинского отрицательный).

Примеси, поставляющие в полупроводники свободные электроны без возникновения равного им количества дырок, называют донорными (то есть, отдающими). Удельное сопротивление полупроводника с содержанием таких примесей резко уменьшается и может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.

А теперь давайте заменим атомы мышьяка, на атомы трёхвалентного индия. Очевидно, что валентные электроны атома индия образуют ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвёртым атомом германия у атома индия электрона нет. Поэтому возле каждого атома индия одна из ковалентных связей будет незаполненной, то есть возникает дырка. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. Но при этом дырка образуется на том месте, где до этого находился электрон.

В результате введения такой примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются дырки. Проводимость такого кристалла будет преимущественно дырочной.

Такие полупроводники называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа (от латинского положительный).

Примеси, наличие которых в полупроводнике приводит к образованию дырок, не увеличивая при этом числа свободных электронов, называют акце́пторными (то есть принимающими). Удельное сопротивление полупроводников, содержащих акцепторные примеси, также резко уменьшается.

Наиболее интересные явления происходят при контакте полупроводников п- и р-типов. Эти явления используются в большинстве полупроводниковых приборов.

Контакт двух проводников с разным типом проводимости называется электронно-дырочным переходом или, сокращённо, п—р-переходом.

Концентрация свободных электронов в n-области значительно выше, чем в p-области, соответственно концентрация дырок, то есть вакантных мест в p-области значительно больше их концентрации в n-области.

Как только полупроводники приводят в контакт, начинается диффузия электронов из области с проводимостью n-типа в область с проводимостью p-типа и соответственно переход дырок в обратном направлении. Перешедшие в полупроводник p-типа электроны занимают свободные места, происходит процесс рекомбинации электронов и дырок, а попавшие в полупроводник n-типа дырки также исчезают благодаря электронам, занимающим вакантное место.

В результате диффузии на границе между этими областями образуется двойной электрический слой разноимённо заряженных ионов, толщина которого не превышает долей микрометра. Между слоями ионов возникает электрическое поле, которое препятствует дальнейшему переходу основных носителей заряда через границу раздела. Иными словами, в зоне перехода между полупроводниками разных типов образуется так называемый запирающий слой.

Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, лампочки и полупроводника с n—p-переходом. При этом положительный полюс источника тока подключим к p-области, а отрицательный — к n-области. При замыкании цепи лампочка будет светиться. Вывод очевиден: в цепи проходит электрический ток.

Объяснить это явление можно так. Под действием электрического поля, созданного источником тока, запирающий слой начинает исчезать, так как напряжённость внешнего электрического поля источника противоположна по направлению напряжённости поля запирающего слоя и практически полностью компенсирует её. Это приводит к возобновлению диффузии основных носителей заряда через n—p-переход. В этом случае n—p-переход включён в прямом или, говорят, в пропускном направлении.

А теперь поменяем подключение полупроводника к источнику тока.

При замыкании цепи лампочка не светится, то есть ток в цепи отсутствует. Причина в том, что толщина запирающего слоя и, следовательно, его сопротивление увеличиваются, так как направление напряжённости электрического поля, созданного источником, совпадает с направлением напряжённости поля запирающего слоя.

В этом случае n—p-переход включён в обратном (запирающем) направлении и ток через переход практически отсутствует (если не учитывать ток, созданный неосновными носителями, концентрация которых мала по сравнению с концентрацией основных носителей тока).

Таким образом, n—p-переход в полупроводнике обладает односторонней проводимостью.

Это свойство полупроводников широко используется в приборах, называемых полупроводниковыми диодами. Они являются основными элементами выпрямителей переменного тока и детекторов электромагнитных сигналов.