власна електропровідність
Принцип роботи напівпровідникових приладів визначається фізичними властивостями напівпровідникових матеріалів, які по своїй питомій опору займають проміжне місце між провідниками і діелектриками. Питомий опір провідників # 961; = 10 -6 - 10 -5 Ом * см, напівпровідників - # 961; = 10 -4 - 10 -5 Ом * см, діелектриків - # 961; = 10 6 - 10 16 Ом * см. Властивості напівпровідників і провідників різні. З підвищенням температури опір провідників зростає, а опір напівпровідників і діелектриків знижується. Таке якісна відмінність свідчить про різний механізм провідності цих матеріалів.
Більшість сучасних напівпровідникових приладів виконуються з кремнію (Si) і германію (Ge) - елементів 4 групи періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва, а також з арсеніду галію (GaAs).
Кристалічна структура Si і Ge така ж, як у алмазу: кожен атом оточений чотирма атомами, що знаходяться в вершинах правильного тетраедра. Двомірна модель кристалічної решітки зображена на (рис. 1).
Як відомо, у атомів різних елементів можна виділити оболонки повністю заповнені електронами (внутрішні) і незаповнені (зовнішні). Електрони, розташовані на зовнішній оболонці, називаються валентними. Сили, що утримують атоми у вузлах решітки, мають квантомеханические характер, вони виникають за рахунок обміну взаємодіючих атомів валентними електронами. Такий зв'язок називається ковалентним (парної) (рис. 2). Великими кружками показані іони Ge.
Ядра атомів на внутрішніх оболонках мають позитивним зарядом +4, який врівноважується негативними зарядами електронів на зовнішній оболонці, показаними маленькими кружками. Разом з електронами сусідніх атомів вони утворюють ковалентні зв'язки, показані лініями на кристалічній решітці. Таким чином на зовнішній оболонці знаходяться 4 своїх електрона і 4 електрона, запозичені по одному у чотирьох сусідніх атомів. У подібній ідеальній кристалічній решітці спрямований рух електронів неможливо, т. К. Йому перешкоджають сили взаємодії електронів з атомами Ge. Це справедливо для температури абсолютного нуля (T = 0).
При температурі відмінній від абсолютного нуля, атоми решітки коливаються і деякі електрони отримують енергію, для того, щоб відірватися від свого атома. При цьому в результаті порушення ковалентного зв'язку утворюється електрон провідності і дірка, що є розірваним зв'язком. Таким чином, за рахунок теплових коливань решітки генерується електронно-діркова пара (рис. 3). Електрони цих пар можуть займати будь-яке положення всередині решітки, а блукаюча по кристалу розірваний зв'язок - дірка - не може. Вона переміщається від одного атома до іншого за рахунок того, що розірвана ковалентний зв'язок заміщається електроном одного з сусідніх атомів, при цьому утворюється нова розірваний зв'язок і т. Д. Отже, вільний електрон і дірка існують і рухаються незалежно.
Напівпровідник, який не має сторонніх зв'язків, називається власним провідником. В такому напівпровіднику концентрація електронів і дірок однакова. Вона називається власною концентрацією і дорівнює
де А - коефіцієнт пропорційності, Т - абсолютна температура, - ширина забороненої зони при Т = 0К, рівна мінімальній енергії, яку потрібно повідомити електрону, щоб вивести його з валентної зони в зону провідності; k - постійна Больцмана.
Здатність електронів і дірок рухатися під дією електричного поля називається рухливістю поля. Рухливість дорівнює швидкості електрона або дірки при напрузі поля, що дорівнює одиниці.
Питома провідність напівпровідника
де. - рухливість електронів і дірок, q - заряд електрона, n і p - об'ємні концентрації електронів і дірок відповідно.
Рухливість електронів в Si і Ge в 2-2.5 рази вище, ніж рухливість дірок, тому власна провідність напівпровідника носить в основному електронний характер.
Якщо в напівпровіднику є домішки інших речовин, то додатково до власної електропровідності з'являється ще примесная електропровідність, яка в залежності від роду домішки може бути електронною або доречний.
Домішки, що обумовлюють електронну провідність напівпровідника, називаються донорними, а дірковий - акцепторними.
Як донорних домішок використовуються елементи 5 групи періодичної системи: фосфор, миш'як і сурма; як акцепторних домішок застосовуються елементи 3 групи: бор, галій та індій.
При внесенні в напівпровідник домішки деякі атоми його кристалічної решітки замінюються атомами домішки. При наявності донорної домішки, наприклад, миш'яку As (рис. 4), чотири його валентних електрона беруть участь в утворенні ковалентних зв'язків. П'ятий валентний електрон взаємодіє тільки з домішковим атомом, тому він легко може покинути атом миш'яку і переміщатися під впливом зовнішнього електричного поля. При наявності певного числа атомів домішки в напівпровіднику утворюється значна кількість вільних електронів. Провідність, обумовлена рухом вільних електронів, називається електронною провідністю, а напівпровідник з електронною провідністю - полупроводником n-типу.
При впровадженні в вузол решітки атома трехвалентной домішки, наприклад, індію In (рис. 5), для створення ковалентного зв'язку одного електрона не вистачає. Зв'язок з четвертим атомом виявляється незаповненою, проте на неї порівняно легко можуть переходити валентні електрони з сусідніх зв'язків, т. К. При цьому енергія іонізації мала. На місце, що звільнилося може перескочити в свою чергу інший електрон від наступного сусіднього атома і т. Д. Таке послідовне зміщення електронів зручно розглядати як рух ковалентного зв'язку, званої діркою і володіє позитивним зарядом, на
зустріч зміщення електронів. Провідність, обумовлена рухом дірок, називається доречний, а напівпровідник з доречнийпровідністю - провідник p-типу.
На практиці не вдається отримати напівпровідники тільки з донорними або акцепторними домішками. Зазвичай в напівпровіднику присутні вільні електрони і дірки.
Щоб домішка істотно вплинула на характер провідності напівпровідника, концентрація домішки або повинна бути на порядок або на кілька порядків більше власної концентрації власних носіїв.
У напівпровіднику n-типу число вільних електронів перевищує число дірок, тому ці електрони називаються основними носіями заряду, а дірки - неосновними. І навпаки, в напівпровіднику p-типу дірки є основними носіями, а електрони - неосновними носіями заряду.