Лекция "Электрический ток в полупроводниках", часть 1

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

10.9.5. ТЕМА: Электрический ток в полупроводниках

(лекция)

Цель урока:

1. Классифицировать полупроводники по виду проводимости (собственная, примесная).

2. Показать процесс образования электронной и дырочной проводимости в полупроводниках n- и p-типа.

До сравнительно недавнего времени в электротехнике применялись почти исключительно либо металлы, по которым заряд распространяется чрезвычайно легко, либо диэлектрики с очень высокими изолирующими свойствами – такие, как фарфор, стекло, эбонит, янтарь и т. п. Из металлов изготовляются провода, из диэлектриков – опоры, предотвращающие утечку заряда с проводов.

Подавляющее большинство веществ в природе не принадлежит, однако, ни к той, ни к другой группе; эти вещества являются так называемыми полупроводниками, т. е. по своим свойствам занимают промежуточное положение между очень хорошими проводниками и очень хорошими диэлектриками. Это большинство минералов, различные оксиды, сульфиды, теллуриды и другие химические соединения (4/5 массы земной коры).

Главной электрической характеристикой материала является его удельное сопротивление. Удельные проводимости различных тел могут иметь очень сильно отличающиеся значения. Хорошие диэлектрики имеют огромное сопротивление: от 10⁸ до 10¹⁸ Ом×м, сопротивление металлов, наоборот, очень мало: от 10^-8 до 10^-6 Ом×м. Полупроводники по своей проводимости лежат в интервале между этими крайними пределами, их удельное сопротивление имеет порядок r~10^-3-10⁷ Ом×м.

Поэтому они мало пригодны и для изготовления проводов и для изолирующих опор. Однако в последние десятилетия обнаружен и изучен ряд совершенно особых свойств полупроводников, что открыло возможность чрезвычайно важных и многообещающих применений их в различных областях науки и техники.

Объясняется это просто: проводимость материалов зависит от числа свободных электронов, называемых электронами проводимости, находящихся в каждой единице объема. В металлах концентрация электронов проводимости составляет 10²⁸ в каждом 1 м³. Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как число свободных электронов, например, в германии при комнатной температуре порядка 3·10¹³ на 1 м³. В то же время число атомов германия в 1 м³ ~ 10²⁸.

Рассмотрим подробнее полупроводники. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германия, кремния, селена, теллура, мышьяка и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий до 30 % земной коры.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется, прежде всего, в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает (график 2). У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами (график 1).

Сопротивление полупроводников уменьшается также под действием падающего на них света, у некоторых – весьма значительно – явление называется фотопроводимостью – из таких материалов делают фоторезисторы, с помощью которых управляют током в цепи изменением освещения.

Такой ход зависимости ρ(T) показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа из свободных электронов.

Рассмотрим качественно этот механизм на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен.

Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре слабо связанных электрона. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов.

Таким образом, каждый валентный электрон принадлежит двум атомам (см. рис. ниже). Валентные электроны в кристалле германия связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше (~10¹³ на 1 м³), чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости).

Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название дырок. Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместится на новое место в кристалле.

При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: n_n=n_p. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Проводимость, обусловленная движением свободных электронов и «дырок» называется собственной проводимостью полупроводников.

Концентрация носителей зарядов в полупроводниках при комнатной температуре значительно меньше, чем в металлах. Поэтому удельное сопротивление полупроводников обычно больше, чем металлов. При понижении температуры удельное сопротивление полупроводника увеличивается – он всё больше становится похожим на диэлектрик.

При наличии примесей электрическая проводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка в кристалл германия примесей мышьяка в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков.

Такое сильное влияние примесей может быть объяснено на основе изложенных выше представлений о строении полупроводников.

Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.

Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную.

возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).

На рисунке показан пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным.

В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.

В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка, но не единственным. Неосновными носителями зарядов также являются дырки. В таком кристалле n_n>>n_p. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа (n – negative).

возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In). На рисунке показан атом индия, который с помощью своих валентных электронов создал ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия.

В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.

Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: n_p>>n_n. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью.

Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа (p – positive). Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p-типа являются дырки, неосновными – электроны.

Для полупроводников n- и p-типов закон Ома выполняется в определенных интервалах сил тока и напряжений при условии постоянства концентраций свободных носителей.

Итак, если в каждом 1 м³ германия Ge содержится порядка – 10²⁸ атомов, то концентрация свободных электронов в нем n_e=10¹⁷ м^-3. На каждые 100 000 000 000 атомов приходится один свободный электрон. Введем 1% примеси мышьяка As, т.е. в нем 0,01 от 10²⁸ атомов, концентрация атомов примеси n_As=10²⁶ м^-3. Если каждый атом As отдаст один свободный электрон, то их в каждом кубометре будет n_e=10²⁶ м^-3, концентрация электронов n_e возросла: в 10⁹ раз больше чем в As.

Во сколько же раз уменьшится сопротивление полупроводников?

Смотри также: http://physics.kgsu.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=198&Itemid=72

- А вы знаете, что одним из первых начал систематические исследования физических свойств таких веществ, называемых сегодня полупроводниками, выдающийся советский физик Абрам Федорович Иоффе.

В 1952 году возглавил лабораторию полупроводников Академии наук СССР. В 1954 году на основе лаборатории организован Институт полупроводников АН СССР.

- Эра полупроводниковой электроники начинается с изобретения транзистора в 1947 году Д. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли, получившими впоследствии Нобелевскую премию.

- А вы знаете, что светом можно управлять с помощью полупроводников?!

В эти разноцветные баночки налиты квантовые точки - крошечные кристаллы из различных полупроводниковых материалов. Размер кристаллов не превышает нескольких нанометров, и поэтому в них вовсю проявляются квантовые эффекты. Меняя размер квантовой точки, ученые заставляют ее испускать излучение строго определенной длины волны. В начале 2013 года компания Sony представила первый телевизор, который создает изображение при помощи квантовых точек. http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/8399/

Скачано с www.znanio.ru