Полупроводник проводимость и свойства

Чтобы было хорошо понять, как работает диод или транзистор, надо хорошо понимать, что такое полупроводник. Поэтому мы, сначала разберемся со структурой и свойствами полупроводников на молекулярном уровне, а затем уже будем разбираться с их работой и устройством радиокомплектующих.

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.

Свойства полупроводников

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

Если на полупроводник навести свет, то электропроводность начинает расти. Используя это свойство появились на свет фотоэлектрические приборы. Кроме того они способны преобразовывать световой поток в электрический ток, например, солнечные батареи, а это позволит в скором времени отказаться от сжигания нефти и газа. А при введении в полупроводники примесей различных веществ, их электропроводность резко возрастает.

Полупроводник строение атомов

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

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

Электропроводность полупроводников

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.

Если приложить напряжение к контактам кристалла «+» и «-», то в нем 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.

Электронно-дырочная проводимость

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 электронной или дырочной.

Электронная проводимость

Предположим, в кристалле атомы имеют 4-ре валентных электрона, мы поменяем один атом другим, у которого пять валентных электронов. Этот атом четырьмя электронами соединится с 4 соседними атомами, а пятый останется «не удел» – то есть свободным. И чем выше их количество в кристалле, тем большее число свободных электронов, а значит, такой кристалл по своим свойствам, станет похож на металл, 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 «negative» . Отсюда понятно, что в кристалле n-типа основные носители заряда – электроны, а не основные – дырки.

Дырочная проводимость

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.