Полупроводник проводимость и свойства

Чтобы было хорошо понять, как работает диод или транзистор, надо хорошо понимать, что такое полупроводник. Поэтому мы, сначала разберемся с их структурой и свойствами на молекулярном уровне, далее поймем как протекает ток в полупроводниках, а только затем уже будем разбираться с работой диодов, транзисторов и прочих полупроводниковых устройств.

Можно считать что полупроводник открыли в 1833 году, когда исследуя температурную зависимость удельной электропроводности - плохого проводника сульфида серебра, Фарадей заметил, что в отличие от хороших металлических проводников, у сульфида серебра при нагревании проводимость не снижалась, а, даже наоборот, увеличивалась. Чуть позже эта особенность была выявлена и у других полупроводников.

Еще два открытия касавшихся проводимости полупроводников были сделаныв 1873 и 1874 годах. В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил увеличение проводимости селена при его освещении внешним источником света, т.е. открыл внутренний фотоэффект, а в 1874 году другой исследователь Ф. Браун, работая с такими материалами, как сернистый свинец (PbS) и пирит (FeS), заметил выпрямление переменного тока при контакте этих веществ с металлом. В начале прошлого века появилось довольно много работ, посвящённых изучению свойств полупроводников. В основном это были сульфиды и оксиды металлов, а также кремний. Именно в это время и сформировался термин полупроводники.

Материал полупроводник, по своей удельной проводимости занимает промежуток между проводниками и диэлектриками и отличается от первых сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения.

Полупроводники это достаточно большая группа веществ, применяемых в радиоэлектроники: германий, кремний, селен, но для изготовления диодов и транзисторов применяют в основном кремний и германий.

По своим электротехническим свойствам они занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Полупроводник и его основные свойства

У полупроводников, ширина запрещённой зоны составляет около нескольких электрон-вольт (эВ). Например,такой материал как алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия - к узкозонным. К числу полупроводников относятся также многие химические элементы ( кремний, германий, селен, мышьяк теллур, и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (например арсенид галлия). Почти все неорганические вещества окружающие нас это полупроводники. Самым распространенным полупроводником на нашей планете является кремний, составляющий около 30 % земной коры. В зависимости от того, захватывает ли примесной атом свободный электрон или наоборот отдает его, такие атомы называют акцепторными или донорными.

В первую очередь, надо отметить, что электропроводность при протекании тока полупроводников зависит от температуры. Например, при очень низкой температуре, -273°С, они не проводят его совсем, а с ростом температуры, их сопротивление электрическому току уменьшается.

Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Если на полупроводник навести источник света, то ток в полупроводниках начинает увеличиваться. Используя это свойство увидели этот мир множество фотоэлектрических приборов. Кроме того они способны преобразовывать световой поток воздействующий на полупроводник в электрический ток, например, принцип работы солнечных батарей строится как раз на этом эффекте , а это уже сегодня позволило снизить сжигание нефти и газа, а через некоторое время бензиновые двигатели авто уже будут историей. А при введении в полупроводник примесей различных веществ, их электропроводность резко возрастает.

Характер примеси в полупроводнике может существенно изменяться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается. Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Около температуры абсолютного нуля полупроводники обладают характеристиками диэлектриков. Для понимания механизма возникновения проводимости в полупроводниках, нужно знать внутреннее строение полупроводниковых кристаллов и связей, удерживающих атомы возле друг друга. Напомним, что фактически у каждого электрона имеется своя собственная орбита и правильнее говорить в этом вопросе, не об одной внешней орбите, а о целом внешнем электронном слое, в котором бывает до восьми орбит.

Полупроводник принцип строения атомов

Как я уже сказал выше германий и кремний это основные материалы используемые в полупроводниках, так как они имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия имеет в своем составе 32 электрона, а кремния 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 кремния, находятся во внутренних слоях своих оболочек и прочно там удерживаются. А эти четыре валентных электрона могут стать свободными, да и то лишь временно. А если атом потеряет хотя бы один из них, то он сразу же превращается в положительный ион.

Внутри пластинки атомы располагаются в строгом порядке: каждый из них окружен 4 подобными атомами. Причем они размещены так близко друг к другу, что их валентные электроны имеют единые орбиты, движущиеся вокруг соседних атомов, тем самым переплетая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в полупроводнике в виде простой плоской схемы. На схеме шарики с плюсом, условно, показывают ядра атомов - положительные ионы, а маленькие шарики это валентные электроны.

На картинки четко видно, что вокруг каждого атома имеются четыре других атома, а каждый из них имеет связь еще с четырьмя атомами и так далее. Любой из атомов скреплен с соседом двумя валентными электронами, причем один электрон свой собственный, а другой одолжен у соседнего атома. Такая связь из курса химии называется двухэлектронной или ковалентной.

Внешний слой оболочки каждого атома имеет восемь электронов: четыре собственных, и по одному, одолженному у четырех соседей. Здесь уже не возможно понять, какой из этих электронов в атоме свой, а какой чужой. При такой связи во всем объеме кристалла германия или кремния можно условно считать, что кристалл представляет из себя одну огромную молекулу.

Ток в полупроводниках - электропроводность

Возьмем рисунок кристалла, где атомы обозначаются шариком с плюсом, а межатомные связи изображены двумя линиями.

При температуре абсолютного нулю наш кристалл не будет пропускать ток, так как в нем отсутствуют свободные электроны. Но с ростом температуры связь валентных электронов с ядрами становится слабее и отдельные электроны, вследствие постоянного движения, могут уходить от своих атомов. Становясь свободным, а там где электрон находился, появляется пустое место, которое придумали назвать дыркой.

С ростом температуры, растет количество свободных электронов и дырок. Давайте перейдем к следующей схеме, где схематично изображено явление появления электрического тока в кристалле полупроводника.

Если приложить напряжение к контактам кристалла «+» и «-», то в полупроводнике потечет электрический ток. Вследствие тепловых явлений, из межатомных связей получают свободу электроны, которые, притягиваясь плюсом источника питания, будут двигаться к нему, оставляя дырки, которые заполняются другими свободными электронами. То есть, под действием электрического поля носители заряда получают скорость направленного движения и тем самым генерируют ток.

Пока действует электрическое поле, процесс постоянен: нарушаются межатомные связи, появляются свободные электроны – генерируются дырки. Дырки принимают в себя электроны – восстанавливая одни межатомные связи, но нарушая другие, из которых убегают электроны заполняя следующие дырки

Отсюда, условно можно сказать, что электроны идут от минуса источника питания к плюсу, а дырки двигаются от плюса к минусу.

Полупроводник с электронно-дырочной проводимостью

Рассмотрим вопрос, что такое проводимость полупроводника?

Чуть выше по полочкам мы разобрали механизм проводимости идеальных полупроводников. Проводимость при этих идеальных факторах называют собственной проводимостью полупроводников. Она в некоторых моментах сходна с проводимостью расплавов электролитов или водных растворов. В них также число свободных носителей заряда заметно растет с увеличением интенсивности теплового движения. Поэтому и у полупроводников, и у расплавов электролитов или водных растворов, хорошо заметно увеличение проводимости с увеличением температуры. Особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью появляется дополнительная, так называемая - примесная проводимость. Меняя концентрацию такой примеси, можно существенно регулировать число свободных носителей заряда любого знака. Благодаря этому можно получить полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителями.

Итак, в чистом кристалле полупроводника число свободных в определенный момент электронов равно числу дырок, поэтому электропроводность такого кристалла мала, так как он оказывает току достаточно большое сопротивление, и ее называют собственной. Но если в кристалл ввести немного примеси, точнее минимальное количество атомов других элементов, то электропроводность его увеличится в разы, и в зависимости от структуры добавленных атомов примесей элементов электропроводность будет называться электронной или дырочной.

Полупроводник с электронной проводимостью

Предположим, в кристалле атомы имеют 4-ре валентных электрона, мы поменяем один атом другим, у которого пять валентных частиц. Этот атом с четырьмя эл. соединится с 4 соседними атомами, а пятый останется «не удел» – то есть окажется полностью свободным. И чем выше их количество в кристалле, тем большее число свободных электронов, а значит, такой кристалл по своим свойствам, станет похож на металлический проводник, и чтобы через него потек ток, в нем не нужно рвать межатомные связи.

Кристаллы, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или n-типа. Здесь латинская буква n получила название от слова «negative» . Отсюда понятно, что в полупроводнике n-типа основные носители заряда – электроны, а не основные – дырки.

Полупроводник с дырочной проводимостью

В другом случае в том же кристалле, поменяем атом на другой с тремя свободными электрона, которыми он свяжется только с тремя соседними атомами, а для сцепки с четвертым атомом у него появится дефицит одного электрона. В итоге получается "бублик" или дырка. Понятно, что она примет в себя любой другой свободный электрон, схваченный рядом, И чем больше будет добавлено в кристалл таких атомов, тем выше будет число дырок.

Чтобы в таком случае могли высвобождаться и перемещаться свободные электроны, обязательно надо прорывать валентные связи между атомами. Но электронов все равно не хватит, так как количество дырок всегда будет превышать количество электронов в любой момент.

Такие кристаллы называют полупроводниками с дырочной проводимостью или p-типа, что с латинского значит «positive». То есть, электрический тока в кристалле p-типа обусловлен непрерывным появлением и исчезновением положительных зарядов или дырок. А это говорит о том, что в кристалле p-типа основными носителями заряда будут дырки, а не основными – электроны.

Давайтк рассмотрим полупроводник, правая часть которого содержит донорные примеси и поэтому является кристаллом n-типа, а левая акцепторные и представляет собой типовой полупроводник р-типа. Место соединения двух полупроводников называют р-n переходом. Подключим такой полупроводник к источнику питания и посмотрим его работу при разных подключениях. Сначала соединим так, чтобы потенциал полупроводника р-типа был соединен с плюсом, а n типа с минусом. При этом ток через полупроводник, а точнее его р-n переход будет генерироваться основными носителями: из области n в область р электронами, а из области р в n дырками.

Проводимость всего полупроводника в целом будет достаточно большой, а сопротивление - малым. Показанный на рисунке переход называют прямым. Если переключить полюса источника питания, то проводимость образца оказывается малой, а сопротивление большим. Так как образуется запирающий слой. Подробней работа полупроводника с одним p-n переходом описана в разделе работа диода нашего сайта.