Электрический ток в полупроводниках
По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное место между хорошими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.
Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами (рис. ).
Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T.
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 свободных электронов. Рассмотрим качественно этот механизм на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен.
Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. 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. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам (рис. ). Валентные электроны в кристалле германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.
Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары.
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 переместиться 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.
Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов:
Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: nn = np. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.
При наличии примесей электропроводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка примесей фосфора в кристалл кремния 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 проводимости.
Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).
Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник n-типа.
На рис. 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. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорской примесью. 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. В таком кристалле nn >> np. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа.
Атом индия в решетке германия. Полупроводник p-типа.
Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In). На рис. показан атом индия, который создал с помощью своих валентных электронов 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 этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия. Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью. 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: np >> nn. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью. Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа. Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.
Следует подчеркнуть, что дырочная проводимость в действительности обусловлена эстафетным перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь.
Для полупроводников n— и p-типов закон Ома выполняется в определенных интервалах сил тока и напряжений при условии постоянства концентраций свободных носителей.
Рассмотpим контакт двух pазноpодных (p и n) полупpоводников. В области контакта обнаpуживается pяд интеpесных явлений, котоpый носит название p-n пеpехода, связанных с электpопpоводностью. Конечно, на пpактике p-n пеpеход создается не механически (он был бы в этом случае неплотным и неустойчивым). Плотный, устойчивый контакт достигается путем пpиваpивания пpи высокой темпеpатуpе одного полупpоводника к дpугому. Напpимеp, к пластинке из геpмания (n-пpоводник) пpиваpивается шаpик из индия. Атомы индия пpи этом диффундиpуют в геpманий и создают пpимесную область с типичной дыpочной пpоводимостью. В некотоpой части (несколько pазмытой) возникает p-n пеpеход. Рассмотpим сначала p-n пеpеход в отсутствие внешнего поля. Что пpоизойдет в момент возникновения контакта p и n пpоводников? 
В области контакта имеет место сопpикосновение двух разнородных газов: слева — дыpочный, спpава — электpонный.(pис. 2.15) Пpи сопpикосновении газов под действием теплового движения начнется диффузия — пpоникновение одного газа в дpугой: дыpки начнут диффундиpовать напpаво, электpоны — налево, n-проводник начнет заряжаться положительно, p-пpоводник — отpицательно. В области контакта возникнет электpическое поле, напpавленное от n- к p-полупpоводнику (pис. 2.15). Это поле будет пpепятствовать диффузии основных носителей тока. По меpе увеличения напpяженности поляна контакте диффузия основных носителей тока (дыpок слева и электpонов спpава) будет замедляться. Однако она не пpекpатится совсем. Дело в том, что в каждом полупpоводнике, кpоме основных пpисутствуют, неосновные носители тока. Собственное поле в области контакта пpепятствует лишь движению основных носителей. Движению же неосновных носителей оно, наобоpот, способствует. Таким обpазом, в состоянии pавновесия, в котоpое система неизбежно пpидет, остаточный поток диффузии основных носителей уpавновесит поток неосновных носителей, движущихся в пpотивоположном напpавлении под действием собственного, контактного электpического поля. И для дыpок, и для электpонов в pавновесии имеет место следующее уpавнение:
Пpи соблюдении этого уpавнения ток чеpез контакт пpекpатится, вся система пpидет в стационаpное (pавновесное) макpоскопическое состояние. Рассмотpим тепеpь случай, когда на область контакта наложено внешнее электpическое поле. Здесь обнаpуживаются два ваpианта: а) внешнее поле напpавлено пpотив собственного и б) внешнее поле совпадаетпо напpвлению с собственным. Рассмотpим оба ваpианта pаздельно. а) Если внешнее поле ослабляет собственное поле p-n пеpехода, то диффузионный поток основных носителей усиливается. Равновесие, отpажаемое уpавнением (2.41), наpушится и возникнет ток в напpавлении внешнего поля. По меpе возpастания напpяженности внешнего поля суммаpное поле в области контакта сначала уменьшается, а затем, пpойдя чеpез нуль, станет усиливаться в напpавлении внешнего поля: к потоку диффузии основных носителей пpибавится ток основных носителей под действием поля. Сила тока будет увеличиваться неогpаниченно и быстpо. б) Если внешнее поле складывается с собственным, то такая ситуация пpиведет к усилению поля, ослабляющего диффузию. Равновесие (см. (2.41)) опять будет наpушено, но тепеpь за счет ослабления потока диффузии основных носителей. Последний очень быстpо (по меpе увеличения внешнего поля) уменьшается до нуля, и ток чеpез контакт будет опpеделяться только током неосновных носителей, сила котоpого почти не зависит от напpяженности внешнего поля. Установится независимый от поля небольшой ток, обусловленный движением неосновных носителей. 
Если подытожить все вышесказанное и постpоить вольт-ампеpную зависимость p-n перехода, то последняя пpимет вид, изображенный на pис. 2.16.Во-первых, зависимость тока от напряжения имеет явно нелинейный характер, т.е. не выполняется закон Ома, во-вторых, зависимость явно несимметpичная по отношению к напpавлению тока: в одном напpавлении ток быстpо pастет с увеличением напpяжения, в дpугом напpавлении — тока пpактически нет. Таким обpазом, p-n пеpеход обладает вентильным свойством: он хоpошо пpопускает ток в одном напpавлении и пpактически не пpопускает ток в дpугом напpавлении. Это свойство шиpоко используется в технических устpойствах: в выпpямителях и в усилителях (в тpанзистоpах). Коpотко остановимся на pаботе тpанзистоpа. Пpедваpительно опишем устpойство лампового усилителя. На pис. 2.17,а изобpажена одна из возможных схем лампового усилителя. Э 
миттиpующие из pазогpетого катода электpоны создают ток одного напpавления. Потенциал сетки, близко pасположенной к катоду, очень чувствительно сказывается на анодном токе. Таким обpазом, малые колебания сигнала, подаваемого на сетку, пpеобpазуются в большие колебания тока в анодной цепи. Аналогично pаботает и полупpоводниковый усилитель (рис. 2.17,б). Пластинка содеpжит два p-n пеpехода, pазбивающих ее на тpи участка: эмиттеp, коллектоp и базу. p-n пеpеход эмиттеpа включен в пpямом напpавлении, а p-n пеpеход коллектоpа — в обpатном. Дыpки, как основные носители тока эмиттеpа, частично диффундиpуют чеpез очень узкую базу (поpядка 1-10 микpон) и создают в коллектоpной цепи усиленный ток. Пеpеменный потенциал сигнала, подаваемый на базу, очень чувствительно сказывается на диффузии дыpок и, следовательно, на падении напpяжения на нагpузочном сопpотивлении, включенном в коллектоpную цепь: колебания тока в эмиттеpной цепи значительно усиливаются в коллектоpной цепи.
Закон Ома для участка цепи и полной цепи.
1. Сопротивление резистора увеличили в 2 раза, а приложенное к нему напряжение уменьшили в 2 раза. Как изменилась сила электрического тока, протекающего через резистор?
1) уменьшилась в 4 раза; 2) увеличилась в 4 раза; 3) уменьшилась в 2 раза; 4) не изменилась.
2. Как изменится сила электрического тока, протекающего по проводнику, если уменьшить в 2 раза напряжение на его концах, а площадь поперечного сечения проводника увеличить в 2 раза?
1) не изменится; 2) уменьшится в 2 раза; 3) увеличится в 2 раза; 4) увеличится в 4 раза.
3. Рассчитайте силу тока в замкнутой цепи, состоящей из источника тока, у которого ЭДС равна 10 В, а внутреннее сопротивление равно 1 Ом. Сопротивление резистора равно 4 Ом.
1) 2 А; 2) 2,5 А; 3) 10 А; 4) 50 А.
4. Чему равно сопротивление резистора, подключенного к источнику тока, где ЭДС равна 10 В, внутреннее сопротивление равно 1 Ом, а сила тока в электрической цепи равна 2 А?
1) 10 Ом; 2) 6 Ом; 3) 4 Ом; 4) 1 Ом.
5. Общее сопротивление участка цепи, изображенного на рисунке, равно:
1) 2,5 R; 2) 3,5 R; 3) 3 R; 4) 4 R.
6. Цепь разветвляется на 5 одинаковых ветвей. Сила тока до разветвления равна 0,6 мА. В каждой ветви ток равен:
1) 0,6 мА; 2) 1,2 мА; 3) 0,12 мА; 4) 0,1 мА.
7. В двух замкнутых неразветвленных цепях падение напряжения внутри источника равно 5 В, а падение напряжения во внешней сети составляет 20 В в первой цепи и 15 В во второй. ЭДС источника в первой и второй цепях относятся как:
1) 5:4; 2) 4:3; 3) 4:5; 4) 3:4.
8. Работа в 0,22 Дж совершена током 0,1 мА под напряжением 220 В за:
1) 1 с; 2) 10 с; 3) 20 с; 4) в задаче не хватает данных о сопротивлении цепи.
9. Найти работу электрического тока, совершенную в проводнике сопротивлением 1 кОм током при напряжении 220 В за 1 час.
1) 174 кДж; 2) 79,2 кДж; 3) 483 кДж; 4) 87 кДж.
10. Сопротивление лампы мощностью 100 Вт, рассчитанной на напряжение 220 В, составляет:
1) 484 Ом; 2) 241 Ом; 3) 220 Ом; 4) 454 Ом.
Носители электрических зарядов. Полупроводники.
1. Какими носителями электрического заряда создается ток в металлах и полупроводниках?
1) и в металлах, и в полупроводниках – только электронами;
2) в металлах – только электронами, в полупроводниках – только дырками;
3) в металлах и в полупроводниках – ионами;
4) в металлах – только электронами, в полупроводниках – электронами и дырками.
2. Какими носителями электрического заряда создается ток в газах и в электролитах?
1) и в газах, и в электролитах – только ионами;
2) в газах – только ионами, в электролитах – ионами и электронами;
3) в газах – электронами и ионами, в электролитах – только ионами;
4) и в газах, и в электролитах – только электронами.
3. В четырехвалентный кремний добавили первый раз 3-валентный индий, а во второй раз 5-валентный фосфор. Каким типом проводимости в основном будет обладать полупроводник в каждом случае?
1) в первом случае – дырочной, во втором – электронной;
2) в первом случае – электронной, во втором – дырочной;
3) в обоих случаях – электронной;
4) в обоих случаях – дырочной.
4. Носителями тока в растворах и расплавах солей являются:
1) ионы; 2) электроны; 3) дырки; 4) молекулы.
5. Электрический заряд распределяется:
1) равномерно по объему тела; 2) неравномерно по поверхности тела; 3) неравномерно по объему тела; 4) равномерно по поверхности тела.
6. При избытке электронов:
1) тело заряжается отрицательно; 2) происходит пробой диэлектрика; 3) происходит стекание заряда; 4) тело заряжается положительно.
7. В сильно искривленных местах поверхности тела плотность электрического заряда:
1) такая же, как на всей поверхности тела; 2) минимальна; 3) максимальна; 4) меньше, чем внутри тела.
8. На незаряженном проводнике под действием электрического поля электроны:
1) равномерно распределяются по поверхности проводника; 2) порождают постоянный электрический ток; 3) стекают в воздух; 4) собираются с одной стороны тела.
9. Полупроводимость в проводнике р-типа осуществляется:
1) в основном дырками; 2) в основном электронами; 3) в процессе p-n перехода; 4) и электронами, и дырками, в примерно равном количестве.
10. Скорость движения электронов в проводнике, по которому течет ток:
1) равна скорости света в вакууме; 2) равна скорости света в материале, из которого сделан проводник; 3) одинакова у всех электронов и значительно меньше скорости света; 4) в среднем существенно меньше скорости света.
1. Заполните таблицу, сравнив природу свободных носителей тока и закономерности тока в вакууме и в металлическом проводнике.
Вопросы для сравнения
1.Что представляют собой свободные носители тока?
2.Каков характер движения свободных носителей тока? Одинакова ли их скорость движения?
4.Справедлив ли закон Ома?
5.Зависимость проводимости от направления тока в среде
6.Условия существования тока
2. На основе анализа явления протекания тока в различных средах заполните таблицу.
О том что такое полупроводник и как он работает
Полупроводниками (seicomnductor) называют вещества, которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между металлами (проводниками) и диэлектриками (изоляторами).
К классу полупроводников принадлежат многие из известных веществ. Ими могут быть как химически чистые вещества, так и различные соединения и даже сплавы некоторых металлов. По структуре эти вещества могут быть кристаллическими или аморфными, однако, как правило, для изготовления полупроводниковых приборов используют вещества с кристаллической структурой. Исходным материалом наиболее часто служит германий Ge или кремний Si, а также арсенид галлия GaAs — полупроводник, являющийся химическим соединением.
При качественном анализе механизма проводимости полупроводников обычно используется плоскостной моделью кристаллической решетки.
На (рис.39-а) показана модель решетки химически чистого полупроводника — германия, каждый атом которого имеет на внешней оболочке четыре валентных электрона. Например для атома I это электроны 1, 2, 3, 4. При образовании кристалла каждый валентный электрон в веществе начинает двигаться по орбите, окружающей не только свой атом, но и соседний. Таким образом, каждая соседняя пара атомов имеет общую пару электронов, движущихся по двум общим орбитам. Такая связь атомов называется ковалентной. В целом судя по представленной модели, каждый атом связан с соседними атомами восемью орбитами, по которым движутся четыре пары электронов. На (рис.39-а) эти связи изображены тонкими прямыми линиями. На примере для атома I и II общие электроны 1 и 5, а для атомов I и III — это электроны 2 и 9 и т.д.
В химически чистых полупроводниках при температуре абсолютного нуля свободных носителей зарядов нет. С повышением температуры валентные электроны приобретают дополнительную тепловую энергию и некоторые из них (электроны с наибольшими скоростями хаотического теплового движения) могут, разорвать связь с атомами и стать свободными носителями зарядов. Атом, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом. Эти ионы не являются носителями зарядов, так как они жестко связаны межатомными силами.
При отрыве электрона от атома образуется так называемая дырка — разорванная валентная связь в атоме (рис.39-б). Дырке приписывается положительный заряд, равный по значению заряду электрона. Эта вакантная валентная связь может быть вновь заполнена электроном, оторванным от соседнего атома под действием электрического поля. При заполнении дырки электроном данный атом становится электрически нейтральным, а у соседнего атома, потерявший электрон, появляется дырка, которая, в свою очередь, также может быть заполнена электроном от следующего атома и т.д. Таким образом, процесс перехода электрона от нейтрального атома к соседнему атому с дыркой под влиянием положительной разности потенциалов можно представить как процесс перехода дырки от положительного иона к нейтральному атому, т.е. как будто условно-положительный заряд — дырка — движется в сторону, противоположную движению электрона.
Электропроводность, при которой электрон последовательно занимает дырку у рядом расположенного атома, т.е. в каждый момент времени в веществе преобладает «свободные» дырки, которые переходят от одного соседнего атома к другому, называется дырочной или электропроводностью p-типа (positive). Электропроводность, обусловленная движением свободных (избыточных) электронов между узлами кристаллической решетки, называется электронной или электропроводностью n-типа (negative).
Возникновение в полупроводнике свободных электронов и дырок при повышении температуры называется термогенерацией носителей зарядов, а процесс возвращения свободных электронов на место разорванной валентной связи — рекомбинацией носителей зарядов. При определенных условиях между этими двумя процессами устанавливается динамическое равновесие, т.е. концентрация дырок и электронов в заданном объеме становится постоянной, а их количество — одинаковым. Дырки и электроны в полупроводнике без примесей обеспечивают собственную электропроводность, которая складывается из электропроводности p-типа и n-типа. Последняя обычно преобладает, так как электроны более подвижны, чем дырки, оттого, что дырка может перемещаться только между соседними атомами. Концентрация носителей зарядов в чистых полупроводниках мала. Например, для германия при обычной температуре число свободных носителей зарядов составляет примерно 10-8 степени % от общего числа атомов (в металлах число свободных электронов примерно равно числу атомов). Поэтому удельная электропроводность полупроводников значительно меньше, чем у металлов. Появление дополнительных носителей зарядов в полупроводнике с повышением температуры и разрыв валентных связей приводят к уменьшению его сопротивления, а в металле с ростом температуры сопротивление обычно увеличивается. Уменьшение сопротивления полупроводника может быть вызвано также другими внешними факторами, например воздействие излучений. Но особенно сильно влияет на свойство полупроводников наличие примесей других веществ.
Как уже упоминалось выше, в полупроводниковых приборах практически не используются химически чистые полупроводники, а применяются главным образом полупроводники с примесями, добавление которых приводит к существенному увеличению числа носителей зарядов. Электропроводность таких полупроводников называется примесной.
Рассмотрим механизм образование зарядов, воспользовавшись снова плоскостной моделью кристаллической решетки. Если в четырехвалентный германий добавить пятивалентное вещество, например сурьму, то пятивалентный атом сурьмы четырьмя валентными электронами образует ковалентную связь с четырьмя соседними атомами германия, а пятый валентный электрон атома сурьмы остается «лишним» и может быть достаточно легко отделен от атома. Такие полупроводники обладают электропроводностью n-типа. Примеси, которые отдают исходному полупроводнику свои электроны, называют донорными.
Добавим в четырехвалентный германий трех валентный индий. В этом случае при образовании решетки трехвалентный атом индия для установления ковалентной связи с четырьмя соседними атомами германия оторвет один электрон от близлежащего атома германия. Атом индия приобретают отрицательный заряд, а на месте оторванного электрона возникает дырка. Такие примеси, добавление которых к полупроводнику приводит к появлению дырок, называют акцепторными (забирающими электроны), а полученный полупроводник с дырочной электропроводностью — полупроводником p-типа.
В примесных полупроводниках концентрация носителей зарядов всегда превышает (в 100 раз и более) концентрация носителей зарядов в исходного вещества. Поэтому удельное электрическое сопротивление примесного полупроводника всегда значительно меньше, чем исходного химически чистого. Однако даже в примесном полупроводнике число носителей зарядов намного меньше числа атомов; они составляют не более 10-4 степени % от общего числа атомов.
Носители зарядов, преобладающие в данном полупроводнике, называют основными; носители зарядов, концентрация которых в данном полупроводнике меньше концентрация основных носителей, называют неосновными. Для полупроводника n-типа основные носители заряда — электроны, а неосновные дырки; для полупроводника p-типа основные носители — дырки, неосновные — электроны.
Если полупроводники подключить к источнику тока, носители заряда, имеющиеся в нем, начинают перемещаться направленно: дырки — к отрицательному полюсу, электроны — к положительному, т.е. возникают электронный и дырочный дрейфовые токи, образующий общий ток через полупроводник (рис.40).
Дырки перемещаются только в полупроводнике, причем только между соседними атомами. У положительного полюса дырка возникает за счет отрыва электрона от атома и ухода его во внешнюю цепь. Во внешней цепи ток образуется только за счет электронов проводимости. У отрицательного полюса дырка рекомбинирует с электроном, поступившим из внешней цепи.
При подаче на полупроводник p-типа напряжения подавляющая часть тока образована дырками — основными носителями. В полупроводнике с электронной проводимостью ток образуется главным образом электронами. При смене полярности напряжения изменяется также направление тока.
Направленное движение носителей зарядов может вызываться не только электрическим полем, но и разной их концентрацией в объеме вещества. Процесс направленного движения носителей зарядов, вызванный их неравномерной концентрацией, носит название диффузии носителей зарядов, а соответствующий ток называют диффузионным в отличие от дрейфового тока.
Электрический ток в полупроводниках
Значение удельного электрического сопротивления полупроводников говорит о промежуточном положении между проводниками и диэлектриками. Диэлектриками считают германий, кремний, селен, мышьяк и так далее, а также некоторое количество химических соединений. Большая часть неорганических веществ относится к полупроводникам. Самым распространенным из них считают кремний.
Зависимость сопротивления от температуры
Полупроводники отличаются от металлов тем, что при понижении температуры у вторых падает удельное сопротивление, как показано на рисунке 1 . 12 . 4 . Полупроводники ведут себя иначе. У них сопротивление заметно возрастает, что приводит к становлению изоляторами.
Рисунок 1 . 12 . 4 . Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник.
Рисунок 1 . 13 . 1 . Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T .
Выше приведенная зависимость ρ ( T ) говорит о наличии концентрации носителей свободного заряда у проводников, увеличивающегося с ростом температуры. Механизм электрического тока нельзя объяснить с помощью только модели газа свободных электронов.
Рассмотрим на примере германия ( Ge ) . Действие механизма в кристалле кремния ( Si ) такой же. Внешние оболочки атомов германия имеют 4 слабо выраженных электрона. Они получили название валентных. Каждый атом кристаллической решетки окружен 4 соседями. Атомы соединены посредствам ковалентной связи, то есть парами валентных электронов. Валентный электрон соответствует двум атомам, как изображено на рисунке 1 . 13 . 2 .
Связь валентных электронов в атоме германия больше, чем в обычных металлах. Отсюда и наличие сниженной концентрации электронов проводимости при комнатной температуре. Образование связей электронов германия происходит при температуре, приближенной к абсолютному нулю. Данный кристалл не обладает проводимостью.
Рисунок 1 . 13 . 2 . Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары.
Какие вещества относят к полупроводникам
Если температура повышается, тогда некоторые валентные электроны получают энергию, которой хватит для разрыва ковалентной связи. После чего в кристалле появляются свободные электроны (электроны проводимости).
Места разрыва связей характеризуются образованием вакансий, на которых электроны отсутствуют. Данные вакансии называют дырками.
Вакантное место может быть передано валентному электрону соседней пары, тогда дырка будет циклично перемещаться по всему кристаллу. Заданная температура полупроводника за 1 времени образует определенное количество электронно-дырочных пар.
Также имеется обратный процесс, который заключается в восстановлении электронной связи между атомами германия при встрече со свободным дырочным электроном. Его называют рекомбинацией.
Появление электронно-дырочных пар обусловлено освещением полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. При его отсутствии электроны и дырки принимают участие в хаотическом тепловом движении.
Перемещение полупроводника в электрическое поле подвергает электроны, дырки упорядоченному движению, причем ведут себя как положительно заряженные частицы. Отсюда вывод: ток I в полупроводнике записывается как сумма электронного I n и дырочного I p :
Концентрация электронов проводимости полупроводников равняется концентрации дырок n n = n p .
Полупроводник n -типа
Проявление электронно-дырочной проводимости присущ чистым полупроводникам. Их называют собственной электрической проводимостью полупроводников.
Если имеются примеси, тогда происходит ее изменение.
При добавлении в кристалл кремния примесь в виде фосфора количеством 0 , 001 % уменьшается удельное сопротивление более, чем на 5 порядков. Такое влияние примесей объясняется выше изложенным представлением о строении полупроводников.
Необходимое условие резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей – отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.
Если проводники имеют примеси, то такая проводимость называется примесной. Различают два вида: электронная и дырочная. Первая появляется при введении в четырехвалентные атомы германия пятивалентных атомов мышьяка.
Рисунок 1 . 13 . 3 . Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник n -типа.
На рисунке 1 . 13 . 3 подробно показан пятивалентный атом мышьяка, который находится в узле кристаллической решетки германия. Валентные электроны в количестве 4 штук включены в образование ковалентных связей с 4 соседними атомами германия. Пятый из них получается лишним, так как не имеет пары. Он отрывается от атома мышьяка и становится свободным.
Атом, который теряет электрон, становится положительным ионом, располагаемым в узле кристаллической решетки.
Полупроводник p -типа
Если у примеси имеется валентность, превышающая валентность основных атомов полупроводникового кристалла, тогда ее называют донорной.
Когда примесь вводится в кристалл, то это провоцирует появление большого количества свободных электронов. Тогда происходит резкое уменьшение удельного сопротивления полупроводника в разы. После чего оно стремится по значению к удельному сопротивлению металлического проводника.
Кристалл германия с примесью мышьяка имеет электроны и дырки, которые отвечают за собственную проводимость кристалла. Основным типом носителей свободного заряда считаются электроны, которые оторвались от атомов мышьяка. Тогда такой кристалл имеет n n ≫ n p . Данная проводимость получила название электронной, а такой полупроводник, обладающий электронной проводимостью – полупроводник n -типа.
Рисунок 1 . 13 . 4 . Атом индия в решетке германия. Полупроводник p -типа.
Влияние примесей
Возникновение дырочной проводимости связано с введением трехвалентных атомов индия в кристалл германия. На рисунке 1 . 13 . 4 изображен атом индия, который создает ковалентные связи валентными электронами с помощью трех соседних атомов германия. Чтобы образовать связь с четвертым атомом германия у индия отсутствует электрон. Именно он захватывается атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. Тогда получаем, что атом индия становится отрицательным ионом, располагаемым в узле кристаллической решетки. Отсюда ковалентная связь соседних атомов образует вакансию.
Примесь атомов, захватывающих электроны, называют акцепторной.
С ее наличием в кристалле происходит разрыв множества ковалентных связей, а на их местах образуются вакантные места, то есть дырки. Электроны движутся к ней из соседних ковалентных связей, что обуславливает хаотичное блуждание дырок по кристаллу.
Акцепторная примесь способна заметно снижать удельное сопротивление за счет появления дырок. Их концентрация в такой примеси значительно больше количества электронов, появившихся по причине собственной электропроводности полупроводника n p ≫ n n . Она получила название дырочной. Проводник с примесью и наличием дырочной проводимости – это полупроводник p -типа.
Основными носителями свободного заряда в таких полупроводниках являются дырки. Дырочная проводимость обуславливается эстафетным перемещением по вакансиям, начиная от атома германия к другому электрону, осуществляющему ковалентную связь.
Полупроводники n — и p — типов подвергаются действию закона Ома на интервалах силы тока и напряжений с условием концентрации свободных носителей.
Электрический Ток в Полупроводниках
Полупроводниками назвали класс веществ, у которых с повышением температуры увеличивается проводимость, уменьшается электрическое сопротивление. Этим полупроводники принципиально отличаются от металлов.
Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены кова-лентной связью. При любых температурах в полупроводниках имеются свободные электроны. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов кристаллической решетки приводит к превращению этого атома в положительный ион. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон у одного из соседних атомов. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном. Внешне этот процесс воспринимается как перемещение положительного электрического заряда, называемого дыркой .
При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение дырок — дырочный ток проводимости.
В идеальном полупроводниковом кристалле электрический ток создается движением равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Проводимость в идеальных полупроводниках называется собственной проводимостью.
Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. Примеси бывают двух типов — донорные и акцепторные.
Примеси, отдающие электроны и создающие электронную проводимость, называются донорными (примеси, имеющие валентность больше, чем у основного полупроводника). Полупроводники, в которых концентрация электронов превышает концентрацию дырок, называют полупроводниками n-типа.
Примеси, захватывающие электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными (примеси имеющие валентность меньше, чем у основного полупроводника).
При низких температурах основными носителями тока в полупроводниковом кристалле с акцепторной примесью являются дырки, а не основными носителями — электроны. Полупроводники, в которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа. Рассмотрим контакт двух полупроводников с различными типами проводимости.
Через границу этих полупроводников происходит взаимная диффузия основных носителей: электроны из n-полупроводника диффундируют в р-полупроводник, а дырки из р-полупроводника в n-полупроводник. В результате участок n-полупроводника, граничащий с контактом, будет обеднен электронами, и в нем образуется избыточный положительный заряд, обусловленный наличием оголенных ионов примеси. Движение дырок из р-полупроводника в n-полупроводник приводит к возникновению избыточного отрицательного заряда в пограничном участке р-полупроводника. В результате образуется двойной электрический слой, и возникает контактное электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда. Этот слой называют запирающим .
Внешнее электрическое поле влияет на электропроводность запирающего слоя. Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 55, то под действием внешнего электрического поля основные носители заряда — свободные электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике — будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников, при этом толщина p-n-перехода уменьшается, следовательно, уменьшается его сопротивление. В этом случае сила тока ограничивается внешним сопротивлением. Такое направление внешнего электрического поля называется прямым. Прямому включению p-n-перехода соответствует участок 1 на вольт-амперной характеристике (см. рис. 57).
Носители электрического тока в различных средах и вольт-амперные характеристики обобщены в табл. 1.
Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 56, то электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике будут перемещаться под действием внешнего электрического поля от границы в противоположные стороны. Толщина запирающего слоя и, следовательно, его сопротивление увеличиваются. При таком направлении внешнего электрического поля — обратном (запирающем) через границу раздела проходят только неосновные носители заряда, концентрация которых много меньше, чем основных, и ток практически равен нулю. Обратному включению р-п-перехода соответствует участок 2 на вольт-амперной характеристике (рис. 57).
Таким образом, р-п-переход обладает несимметричной проводимостью. Это свойство используется в полупроводниковых диодах, содержащих один p-n-переход и применяемых, например, для выпрямления переменного тока или детектирования.
Полупроводники находят широкое применение в современной электронной технике.
Зависимость электрического сопротивления полупроводниковых металлов от температуры используется в специальных полупроводниковых приборах — терморезисторах . Приборы, в которых используется свойство полупроводниковых кристаллов изменять свое электрическое сопротивление при освещении светом, называются фоторезисторами .