Електрически ток в полупроводници

1.13. Електрически ток в полупроводници

По отношение на специфичното електрическо съпротивление полупроводниците заемат междинно положение между добрите проводници и диелектриците. Полупроводниците включват много химически елементи (германий, силиций, селен, телур, арсен и др.), Огромен брой сплави и химични съединения. Почти всички неорганични вещества в света около нас са полупроводници. Най-разпространеният полупроводник в природата е силиций, който съставлява около 30% от земната кора.

Качествената разлика между полупроводниците и металите се проявява главно в зависимостта на съпротивлението от температурата. С намаляването на температурата съпротивлението на металите намалява (виж фиг. 1.12.4). В полупроводниците, напротив, с намаляване на температурата съпротивлението се увеличава и близо до абсолютната нула те на практика се превръщат в изолатори (фиг. 1.13.1).

Това поведение на зависимостта ρ (T) показва, че концентрацията на свободните носители на заряд в полупроводниците не остава постоянна, а се увеличава с увеличаване на температурата. Механизмът на електрическия ток в полупроводниците не може да бъде обяснен в рамките на модела на свободния електронен газ. Нека разгледаме този механизъм качествено, като използваме примера на германий (Ge). В силициев (Si) кристал механизмът е подобен.

Атомите на германия във външната обвивка имат четири слабо свързани електрона. Те се наричат валентни електрони. В кристалната решетка всеки атом е заобиколен от четири най-близки съседи. Връзката между атомите в германиев кристал е ковалентна, тоест се осъществява от двойки валентни електрони. Всеки валентен електрон принадлежи на два атома (фиг. 1.13.2). Валентните електрони в германиев кристал са свързани с атомите много по-силно, отколкото в металите; следователно концентрацията на проводими електрони при стайна температура в полупроводниците е с много порядъци по-ниска от тази на металите. Близо до абсолютната нулева температура в германиев кристал, всички електрони са заети в образуването на връзки. Такъв кристал не провежда електрически ток.

С повишаване на температурата някои от валентните електрони могат да получат енергия, достатъчна за разкъсване на ковалентни връзки. Тогава в кристала ще се появят свободни електрони (проводими електрони). В същото време на местата на разкъсване на връзките се образуват свободни места, които не са заети от електрони. Тези свободни работни места се наричат дупки. Пусто място може да бъде заето от валентен електрон от съседна двойка, след което дупката ще се премести на ново място в кристала. При дадена температура на полупроводника се образуват определен брой двойки електрон-дупка за единица време. В същото време протича обратният процес - когато свободен електрон се срещне с дупка, електронната връзка между атомите на германий се възстановява. Този процес се нарича рекомбинация. Двойки електрон-дупка могат да се получат и при осветяване на полупроводник, използващ енергията на електромагнитното излъчване. При отсъствие на електрическо поле електроните и дупките на проводимостта участват в хаотично топлинно движение.

Ако полупроводникът е поставен в електрическо поле, тогава в подреденото движение участват не само свободни електрони, но и дупки, които се държат като положително заредени частици. Следователно токът I в полупроводника е сбор от електронните токове I n и дупка I p:

Концентрацията на проводими електрони в полупроводник е равна на концентрацията на дупки: n n = n p. Механизмът за електронно-дупкова проводимост се проявява само в чисти (т.е. без примеси) полупроводници. Нарича се присъщата електрическа проводимост на полупроводниците.

При наличие на примеси електрическата проводимост на полупроводниците се променя значително. Например, добавянето на 0,001 атомни процента фосфорни примеси към силициев кристал намалява съпротивлението с повече от пет порядъка. Такова силно влияние на примесите може да се обясни въз основа на горните идеи за структурата на полупроводниците.

Необходимо условие за рязко намаляване на съпротивлението на полупроводника при въвеждането на примеси е разликата между валентността на примесните атоми и валентността на основните атоми на кристала.

Проводимостта на полупроводниците в присъствието на примеси се нарича примесна проводимост. Има два вида примесна проводимост - електрон и дупка .

Електронната проводимост възниква, когато петавалентни атоми се въвеждат в германиев кристал с четиривалентни атоми (например атоми на арсен, As).

Легиран с арсен германиев кристал съдържа електрони и дупки, които са отговорни за присъщата проводимост на кристала. Но основният тип носители на свободен заряд са електроните, отделени от атомите на арсен. В такъв кристал n n >> n p. Такава проводимост се нарича електронна, а полупроводник с електронна проводимост се нарича полупроводник от n-тип .

Провеждането на дупки възниква, когато тривалентни атоми (например атоми на индий, In) се въвеждат в германиев кристал. На фиг. 1.13.4 показва атом на индий, който, използвайки валентните си електрони, създава ковалентни връзки само с три съседни германиеви атома. Атомът на индия няма електрон, който да се свърже с четвъртия атом на германия. Този липсващ електрон може да бъде уловен от атома на индия от ковалентната връзка на съседни атоми на германий. В този случай индиевият атом се превръща в отрицателен йон, разположен на мястото на кристалната решетка и се образува вакантно място в ковалентната връзка на съседните атоми. Примес от атоми, способни да улавят електрони, се нарича акцепторен примес. В резултат на въвеждането на акцепторен примес в кристала се разкъсват много ковалентни връзки и се образуват свободни места (дупки). Електроните от съседни ковалентни връзки могат да скачат до тези места, което води до хаотично скитане на дупки в кристала.

Наличието на акцепторен примес рязко намалява съпротивлението на полупроводника поради появата на голям брой свободни отвори. Концентрацията на дупки в полупроводник с акцепторен примес значително надвишава концентрацията на електрони, възникнала поради механизма на собствената електрическа проводимост на полупроводника: n p >> n n. Този тип проводимост се нарича дупкова проводимост. Примесен полупроводник с дупкова проводимост се нарича p-тип полупроводник. Основните носители на безплатен заряд в полупроводници от тип p са дупки.

Трябва да се подчертае, че дупковата проводимост всъщност се дължи на релейното състезателно движение на електрони през вакантни места от един германиев атом до друг, които осъществяват ковалентна връзка.

За полупроводниците от n - и p-типове законът на Ом се изпълнява в определени интервали от токове и напрежения, при условие че концентрацията на свободните носители е постоянна.