Если в полупроводнике имеются примеси других веществ, то дополнительно к собственной электропроводности появляется еще примесная электропроводность, которая в зависимости от рода примеси может быть электронной или дырочной. Например, германий, будучи четырехвалентным, обладает примесной электронной электропроводностью, если к нему добавлены пятивалентные сурьма и мышьяк. Их атомы взаимодействуют с атомами германия только четырьмя своими электронами, а пятый электрон отдают в зону проводимости. В результате получается некоторое количество дополнительных электронов проводимости. Примеси, у которых атомы отдают электроны, называют донорами. Атомы доноров, теряя электроны, сами заряжаются положительно.
Полупроводники с преобладанием электронной электропроводности называют электронными полупроводниками или полупроводниками п-типа.
Вещества, отбирающие электроны и создающие примесную дырочную электропроводность, называют акцепторами. Атомы акцепторов, захватывая электроны, сами заряжаются отрицательно.
Полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа.
В полупроводниковых приборах используются главным образом полупроводники, содержащие донорные или акцепторные примеси и называемые примесными. При обычных рабочих температурах в таких полупроводниках все атомы примеси участвуют в создании примесной электропроводности, т. е. каждый атом примеси либо отдает, либо захватывает один электрон.
Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов донорной примеси или акцепторной примеси должна превышать концентрацию собственных носителей заряда.
Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными. Ими являются электроны в полупроводнике п-типа и дырки в полупроводнике р-типа. Неосновными называют носители заряда, концентрация которых меньше, чем концентрация основных носителей. Концентрация неосновных носителей в примесном полупроводнике уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается концентрация основных носителей.
Если в германии было определенное число электронов, а после добавления донорной примеси концентрация электронов возросла в 1000 раз, то концентрация неосновных носителей(дырок)уменьшится в 1000 раз, т. е. будет в миллион раз меньше концентрации основных носителей. Это объясняется тем, что при увеличении в 1000 раз концентрации электронов проводимости, полученных от донорных атомов, нижние энергетические уровни зоны проводимости оказываются занятыми и переход электронов из валентной зоны возможен только на более высокие уровни зоны проводимости. Но для такого перехода электроны должны иметь большую энергию и поэтому значительно меньшее число электронов может его осуществить. Соответственно значительно уменьшается число дырок проводимости в валентной зоне.
Таким образом, ничтожно малое количество примеси существенно изменяет характер электропроводности и величину проводимости полупроводника. Получение полупроводников с таким малым и строго дозированным содержанием нужной примеси является весьма сложным процессом. При этом исходный полупроводник, к которому добавляется примесь, должен быть очень чистым.
2.2.1. Собственная электропроводность
Твердые тела, к которым относятся проводники, полупроводники и диэлектрики обычно имеют кристаллическую структуру. Основу кристаллического тела составляют правильные пространственные решетки с конфигурацией, специфической для каждого данного вещества.
В зависимости от того, какие частицы располагаются в узлах, различают следующие кристаллические решетки:
Ионные кристаллические решетки образуются противоположными по знаку ионами, поочередно расположенными в узлах решетки (пример: поваренная соль).
В узлах металлической решетки размещаются лишь положительные ионы металла. Свободные электроны, имеющиеся в таких кристаллах, взаимодействуя с ионами, обеспечивают устойчивость таких решеток (пример: атомы элементов первых групп периодической системы Менделеева).
В молекулярных решетках в узлах располагаются молекулы, связанные друг с другом относительно слабыми силами (пример: лед).
В атомарных кристаллических решетках в узлах располагаются атомы, между которыми непрерывно перемещаются валентные электроны, образующие так называемые ковалентные или парно-электронные связи.
В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используется кремний Si (элемент четвертой группы периодической системы Менделеева), имеющий валентность, равную четырем. Внешние оболочки атомов кремния имеют четыре валентных электрона.
Применяются и более сложные вещества, такие как карбид кремния SiC, антимонид галлия GaSb, арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP, антимонид индия InSb, арсенид индия InAs, фосфид индия InP, тройное соединение CdSiAs2.
В основе кристаллической решетки кремния лежит пространственная фигура – тетраэдр. Такие кристаллические решетки называются решетками типа «алмаз». Характерная особенность тетраэдрической системы – одинаковые расстояния центрального атома от четырех угловых. Напомним, что тетраэдр – правильный многогранник, имеющий четыре треугольные грани.
Атомы решетки связаны друг с другом внешними (валентными) электронами, которые взаимодействуют не только с ядром своего атома, но и с ядрами соседних атомов.
В кристаллах кремния связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами – по одному от каждого атома, что наглядно представлено на плоскостной схеме кристаллической решетки (рис. 2.2).
При температуре абсолютного нуля (– 273,16 °С) в кристалле чистого кремния свободных электронов нет, т.е. полупроводник обладает свойствами диэлектрика. При температуре выше абсолютного нуля (или при нагревании, освещении, облучении и т.д.) прочность кристаллической решетки нарушается и появляются электроны проводимости. Эти электроны порывают парно- электронные связи и становятся свободными (количество свободных электронов мало – в кремнии при нормальных условиях их число равно 1·10 -10 %).
Рис. 2.2. Плоскостная схема кристаллической решетки кремния
Таким образом полупроводники, как и металлы, обладают электронной проводимостью. Но полупроводники, в отличие от проводников, обладают и дырочной проводимостью. В тех местах кристаллической решетки, которые покинули электроны, образуются дырки, представляющие собой атомы с положительными зарядами, численно равными зарядам электронов. Такой атом можно условно назвать положительным ионом. Однако следует иметь в виду, что при ионной электропроводности, например в электролитах, ток представляет собой движение ионов («ион-путешественник»), а при дырочной электропроводности ионы кристаллической решетки не передвигаются, а остаются на месте.
Отсутствие электрона в атоме полупроводника условно назвали дыркой. Это подчеркивает, что в атоме не хватает одного электрона, т.е. образовалось свободное место. Дырки ведут себя как элементарные положительно заряженные частицы.
При выходе электронов из кристаллической решетки полупроводника образуются два вида носителей электрических зарядов – электроны (носители отрицательного электричества) и дырки (носители положительного электричества), т.е. происходит процесс генерации пар носителей заряда.
Вследствие того, что электроны и дырки проводимости совершают хаотическое движение, также происходит процесс, обратный генерации – рекомбинация пар носителей заряда, и электроны проводимости вновь занимают свободные места в валентной зоне.
При наличии электрического поля хаотическое перемещение носителей зарядов упорядочивается: электроны начинают перемещаться в направлении положительного полюса, создавая электрический ток, дырки перемещаются в направлении, противоположном движению электронов, т. е. дырки «дрейфуют».
Более правильно электропроводность полупроводника объясняется его энергетической структурой. Как известно, ширина запрещенной зоны ΔW у полупроводников сравнительно невелика (для германия ΔW = 0,72 эВ, для кремния ΔW = 1,12 эВ). При температуре абсолютного нуля (–273,16 °С) полупроводник, не содержащий примесей, является диэлектриком – в нем нет электронов и дырок. При повышении температуры электропроводность полупроводника возрастает, так как электроны валентной зоны получают при нагреве дополнительную энергию и переходят в зону проводимости. Каждый электрон, перешедший в зону проводимости, оставляет в валентной зоне свободное место – дырку. Число электронов равно числу дырок.
Дырка – понятие условное. В действительности в полупроводниках электрический ток создается движением электронов, но как бы двух сортов: свободных и частью валентных электронов.
В идеально чистом кристалле кремния или германия при разрыве электронных связей возникают одновременно электрон и дырка. Одновременно с их образованием происходит и их рекомбинация.
Проводимость, при которой нет избыточных положительных или отрицательных зарядов, называют собственной проводимостью. Собственная проводимость полупроводника невелика и не может обеспечить большого тока. Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником или полупроводником i-типа (от английского слова «intrinsic» – природный, собственный).
2.2.2. Примесная проводимость
Проводимость полупроводников резко увеличивается при добавлении определенных количеств специальных примесей, т.е. при легировании.
Химические элементы пятой группы периодической системы Менделеева на внешней оболочке имеют пять валентных электронов (например, сурьма Sb, мышьяк As, фосфор P).
Предположим, что в кремний внесена пятивалентная сурьма. Атомы сурьмы взаимодействуют с атомами кремния четырьмя своими электронами, пятый электрон они отдают в зону проводимости (рис. 2.3).
Примеси, атомы которых отдают электроны, называют донорами («донор» – дающий, жертвующий). Атомы доноров, теряя электроны, сами заряжаются положительно. Полупроводник с преобладанием электропроводности, называют электронным полупроводником или полупроводником n-типа (от первой буквы слова «negative» – отрицательный).
Рис. 2.3. Возникновение примесной электронной электропроводности
На зонной диаграмме полупроводника n-типа (рис. 2.4) энергетические уровни атомов донора лишь немного ниже зоны проводимости основного полупроводника, поэтому из каждого атома донора электрон легко переходит в зону проводимости. Таким образом, дополнительное число электронов равно числу атомов донора. В самих атомах донора при этом дырки не образуются. Отметим при этом, что для чистого кремния ширина запрещенной зоны ΔW = 1,12 эВ, при добавлении сурьмы ширина запрещенной зоны снижается до значения 0,01 эВ.
Рис. 2.4. Зонная диаграмма полупроводника n-типа
Химические элементы третьей группы периодической системы Менделеева на внешней оболочке содержат три валентных электрона (например, индий In, бор B, алюминий Al, галлий Ga). Предположим, что в кремний внесен трехвалентный индий. Атомы примесей индия отбирают электроны у атомов кремния, и в последних образуются дырки (рис. 2.5).
Вещества, отбирающие электроны и создающие примесную дырочную электропроводность, называют акцепторами («акцептор» – принимающий). Атомы акцептора, захватывая электроны, сами заряжаются отрицательно.
Рис. 2.5. Возникновение примесной дырочной электропроводности
При добавлении индия ширина запрещенной зоны также снижается до значения 0,01 эВ.
Полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа (от первой буквы слова «positive» – положительный).
Рис. 2.6. Зонная диаграмма полупроводника p-типа
Энергетические уровни атомов акцептора располагаются лишь немного выше валентной зоны. На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, в которой возникают дырки.
Концентрация примесей обычно ничтожно мала. Один атом примеси приходится приблизительно на 10 млн атомов полупроводника, вследствие чего общая структура его кристаллической решетки в основном сохраняется неизменной. Однако прибавление к чистому полупроводнику даже такого незначительного количества донорной или акцепторной примеси может повысить его проводимость в сотни тысяч – миллион раз.
Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов донорной Nд или акцепторной Nа примеси должна превышать концентрацию собственных носителей заряда (ni = pi). Практически при изготовлении примесных полупроводников значения Nд или Nа всегда во много раз больше, чем ni или pi. Например, для германия, у которого при комнатной температуре ni = pi = 10 13 см -3 , Nд и Nа могут быть равными 10 15 -10 18 см -3 каждая, то есть в 10 2 -10 5 раз больше концентрации собственных носителей.
Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными (в полупроводнике n-типа – электроны, в полупроводнике p-типа – дырки). Неосновными являются носители заряда, концентрация которых меньше, чем концентрация основных носителей (в полупроводнике n-типа – дырки, в полупроводнике p-типа – электроны).
В примесном полупроводнике концентрация неосновных носителей уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается концентрация основных носителей.
Рассмотрим прохождение тока через полупроводник с разным типом электропроводности, причем для упрощения будем пренебрегать током неосновных носителей.
На рис. 2.7 дырки изображены светлыми, а электроны – темными кружками. Знаки «+» или «–» обозначают соответственно заряженные атомы кристаллической решетки.
В полупроводнике n-типа под действием ЭДС источника в проводах, соединяющих полупроводник с источником, и в самом полупроводнике движутся электроны проводимости. В полупроводнике p-типа, в соединительных проводах по-прежнему движутся электроны, а в самом полупроводнике ток следует рассматривать как движение дырок. Электроны с отрицательного полюса поступают в полупроводник и заполняют пришедшие сюда дырки. К положительному полюсу приходят электроны из соседних частей полупроводника, и в этих частях образуются дырки, которые перемещаются от левого края к правому.
Рис. 2.7. Ток в полупроводниках с электронной (а) и дырочной (б)
В электротехнике принято условное (в направлении действующей ЭДС) направление тока от “плюса” к “минусу”. Истинное направление движения электронов изображено на рис. 2.7.
Помимо тока проводимости в полупроводниках (дрейфа носителей) может быть еще диффузионный ток, причиной которого является разная концентрация носителей.
Если носители заряда распределены равномерно по полупроводнику, то их концентрация называется равновесной. Под влиянием внешних воздействий в разных частях полупроводника концентрация может стать неравновесной.
Носители заряда имеют собственную кинетическую энергию, они переходят из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией, то есть стремятся распределиться равномерно. Вследствие этого возникает ток диффузии Jдиф. Этот ток, также как ток проводимости, может быть электронным или дырочным. Плотности этих токов определяются следующими формулами
; (2.1)
, (2.2)
где q – заряд электрона;
Dn, Dp – коэффициенты диффузии;
, 
– градиенты концентрации электронов и дырок.
Градиент концентрации характеризует, каково изменение концентрации электронов или дырок на единицу длины. Если разности концентрации нет, то Δn= 0 и Δp= 0 и ток диффузии не возникает. Чем больше изменение концентрации Δnили Δpна данном расстоянии Δх, тем больше ток диффузии.
Коэффициент диффузии характеризует интенсивность процесса диффузии. Он пропорционален подвижности носителей, различен для разных веществ и зависит от температуры. Единица измерения его – квадратный сантиметр в секунду. Коэффициент диффузии для электронов всегда больше, чем для дырок. Например, при комнатной температуре для германия Dn = 98 и Dp1= 47 см 2 /с, а для кремния – Dn = 34 и Dp = 12 см 2 /с. Знак «минус» в формуле плотности дырочного диффузионного тока поставлен потому, что дырочный ток направлен в сторону уменьшения концентрации дырок.
Цель занятия: сформировать представление о свободные носители электрического заряда в полупроводниках и о природе электрического тока в полупроводниках.
Тип занятия: занятие изучения нового материала.
| Контроль знаний | 1. Механизм проводимости газов. 2. Какой разряд в газах называют несамостоятельным? самостоятельным? 3. Типы самостоятельного разряда. |
| Демонстрации | Фрагменты видеофильма «Ток в полупроводниках». |
| Изучение нового материала | 1. Что такое полупроводники? 2. Механизм собственной проводимости полупроводников. 3. Влияние примесей на проводимость полупроводников. 4. Электронно-дырочный переход. |
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
1. Что такое полупроводники
Полупроводники, как это следует из их названия, по своей проводимостью занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Если значение удельного электрического сопротивления примерно равен 10-8 Ом · м , диэлектриков — 1012 — 1020 Oм · м, то полупроводников — 10-8 — 107 Oм · м.
Во время изучения зависимости проводимости полупроводников от внешних факторов выяснилось, что эта зависимость у полупроводников значительно отличается от той, что наблюдалась в металлах.
Во-первых, после повышения температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается, а удельное сопротивление металлов, наоборот, увеличивается.
Во-вторых, удельное сопротивление некоторых полупроводников уменьшается соответственно увеличению освещенности.
В-третьих, введение примесей может резко уменьшить удельное сопротивление полупроводников.
2. Механизм собственной проводимости полупроводников
Связь электронов со своими атомами в полупроводниках не такой крепкий, как в диэлектриках. И в случае повышения температуры, а так же во время яркого освещения некоторые электроны отрываются от своих атомов и становятся свободными зарядами, то есть могут перемещаться во всем образце.
Благодаря этому в полупроводниках появляются отрицательные носители заряда — свободные электроны.
Проводимость полупроводника, обусловленная движением электронов, называют электронной проводимостью, а свободные электроны — электроны проводимости.
Когда электрон отрывается от атома, положительный заряд этого атома становится некомпенсированным, т.е. в этом месте появляется лишний положительный заряд. Этот положительный заряд называют «дыркой». Атом, вблизи которого образовалась дырка, может отобрать связанный электрон у соседнего атома, при этом дырка переместится до соседнего атома, а тот атом, в свою очередь, может «передать» дырку дальше. Такое «естафетне» перемещение связанных электронов можно рассматривать как перемещение дырок, то есть положительных зарядов.
Проводимость полупроводника, обусловленная движением дырок, называется дырочной проводимостью.
Таким образом, отличие дырочной проводимости от электронной заключается в том, что электронная проводимость обусловлена перемещением в полупроводниках свободных электронов, а дырочная — перемещением связанных электронов.
В чистом полупроводнике (без примесей) электрический ток создает одинаковое количество свободных электронов и дырок. Такую проводимость называют собственной проводимостью полупроводников.
3. Влияние примесей на проводимость полупроводников
Если в чистый полупроводник добавить незначительного количества примеси, то механизм проводимости резко изменится. Это изменение легко
наблюдать на примере кремния (Si) с незначительным количеством примеси мышьяка (As). В новом кристалле часть атомов Кремния будет замещаться атомами Мышьяка. Арсен, как известно, пятивалентный элемент. Четыре валентные электроны атомы мышьяка образуют парные электронные связи с соседними атомами Кремния. Пятом же валентному электрону пары не хватает, и поскольку он слабо связан с атомами мышьяка, то легко становится свободным. В результате значительное количество атомов примеси дает свободные электроны. Необходимо отметить, что примеси типа мышьяка добавляют в кристалл только электроны, а вакантные места (дырки) при этом не образуются.
Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются донорными.
Основными носителями зарядов в полупроводники с донорными примесями являются отрицательные частицы. Поэтому такие полупроводники называют полупроводниками n-типа.
Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются электроны, называют полупроводниками n-типа.
Если в кремний добавить незначительное количество трехвалентного индию, то характер проводимости полупроводника изменится. Поскольку Индий имеет три валентных электрона, то он может установить ковалентная связь только с тремя соседними атомами. Для установления связи с четвертым атомом электрона не хватит. Индий «одолжит» электрон в соседних атомов, в результате чего каждый атом Индия образует одно вакантное место — дырку.
Примеси, которые «захватывают» электроны атомов кристаллической решетки полупроводников, называются акцепторными.
В случае акцепторной примеси основными носителями заряда во время прохождения электрического тока через полупроводник есть дыры.
Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называют полупроводниками p -типа.
Практически все полупроводники содержат донорные и акцепторные примеси. Тип проводимости полупроводника определяет примесь с более высокой концентрацией носителей заряда — электронов и дырок.
4. Электронно-дырочный переход
Среди физических свойств, присущих полупроводникам, наибольшее применение получили свойства контактов (p-n-перехода) между полупроводниками с разными типами проводимости.
В полупроводнике n-типа электроны участвуют в тепловом движении и диффундируют через границу в полупроводника p-типа, где их концентрация значительно меньше. Точно так же дырки диффундируют из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа. Это происходит подобно тому, как атомы растворенного вещества диффундируют из крепкого раствора в слабый в случае их столкновения.
В результате диффузии в приконтактной области основных носителей заряда уменьшается: в полупроводнике n-типа уменьшается концентрация электронов, а в полупроводнике p-типа концентрация дырок. Поэтому сопротивление приконтактного участка оказывается очень значительным.
Если теперь полупроводник присоединить к источнику тока так, чтобы его электронная область соединялась с отрицательным полюсом источника, а дырочная — с положительным, то электрическое поле, созданное источником тока, будет направлено так, что оно будет перемещать основные носители тока в каждой области полупроводника в p-n -перехода. Приконтактный участок будет обогащаться основными носителями тока, и его сопротивление уменьшится. Через контакт будет проходить заметный ток. Направление тока в этом случае называют пропускным, или прямым.
Если же присоединить полупроводник n-типа к положительному, а p-типа к отрицательному полюсу источника, то приконтактная зона расширяется. Сопротивление участка значительно увеличивается. Ток через переходный слой будет очень незначительный. Это направление тока называют замыкающим, или обратным.
Электронно-дырочный переход обладает практически одностороннюю проводимость: он пропускает заметный ток от p — к n-области и очень маленький ток в обратном направлении.
Следовательно, через границу раздела полупроводников n-типа и p-типа электрический ток идет только в одном направлении — от полупроводника p-типа к полупроводнику n -типа.
Решение задач
1. Как изменится сопротивление образца кремния с примесью фосфора, если ввести в него примесь галлия? Концентрация атомов Фосфора и Галлия одинакова.
2. Ничтожно малые количества примесей, добавленных к полупроводника, могут резко изменить его электропроводность. Почему даже во много раз больше количества примесей не оказывают заметного влияния на электропроводность металлов.
3. Что надо сделать, чтобы электропроводность германия и кремния стала такой же, как электропроводность металла (диэлектрика)? Сохранятся ли при этом их полупроводниковые свойства?
Контрольные вопросы:
1. Какие вещества можно отнести к полупроводниковых?
2. Движением которых заряженных частиц создается ток в полупроводниках?
3. Почему сопротивление полупроводников очень сильно зависит от наличия примесей?
4. Почему свободные носители зарядов не могут удержаться в области p-n-перехода?
5. Измеряя электрическое сопротивление при очень низкой температуре сложно отличить полупроводник от диэлектрика. Почему же свойства этих материалов отличаются при комнатной температуре?
6. Какую связь называют ковалентной?
7. Можно ли получить p-n-переход, вплавляя олово в германий или кремний?
8. Как можно изменять тип носителей в полупроводнике?
9. Почему требования к чистоте полупроводниковых материалов очень высоки (в ряде случаев не допускается наличие даже одного атома примеси на миллион атомов)?
10. После введения в германий примеси мышьяка концентрация электронов проводимости увеличилась. Как изменилась при этом концентрация дырок?
11. Какую проводимость (электронную или дырочную) имеет кремний с примесью галлия? индию? фосфора? сурьмы?
Домашнее задание
1. Учебник-1: § 16 (п. 1, 2, 3, 4); Учебник-2: § 8 (п. 1, 2, 3).
2. Сборник задач.:
Ур1 № 6.1; 6.2; 6.3; 6.7.
Ур2 № 6.24; 6.25; 6.26, 6.27.
Список использованной литературы
1. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М.: Просвещение, 2010. — 366 с.: ил.
2. Марон А.Е., Марон Е.А. «Сборник задачорник качественных задач по физике 11 кл, М.: Просвещение,2006
3. Л.А. Кирик, Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Методические материалы для преподавателя 10 класс,М.:Илекса, 2005.-304с:, 2005
4. Л.Э.Генденштейн, Ю.И.Дик. Физика 11 класс.-М.: Мнемозина,2010
