Какой элемент не относится к чистым полупроводниковым элементам

Типы полупроводников

Здравствуйте, дорогие друзья. В этой статье речь пойдет о полупроводниках. Мы рассмотрим типы полупроводников, их свойства и практическое применение.

Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Самым известным полупроводником является кремний (Si). Но, кроме него, есть много других. Примером могут служить такие природные полупроводниковые материалы, как цинковая обманка (ZnS), куприт (Cu2O), галенит (PbS) и многие другие. Семейство полупроводников, включая полупроводники, синтезированные в лабораториях, представляет собой один из наиболее разносторонних классов материалов, известных человеку.

Характеристика полупроводников

Из 104 элементов таблицы Менделеева 79 являются металлами, 25 – неметаллами, из которых 13 химических элементов обладают полупроводниковыми свойствами и 12 – диэлектрическими. Основное отличие полупроводников состоит в том, что их электропроводность значительно возрастает при повышении температуры. При низких температурах они ведут себя подобно диэлектрикам, а при высоких — как проводники. Этим полупроводники отличаются от металлов: сопротивление металла растёт пропорционально увеличению температуры.

Другим отличием полупроводника от металла является то, что сопротивление полупроводника падает под действием света, в то время как на металл последний не влияет. Также меняется проводимость полупроводников при введении незначительного количества примеси.

Полупроводники встречаются среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Это могут быть такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения, как арсенид галлия. Многие органические соединения, например полиацетилен (СН)n, – полупроводниковые материалы. Некоторые полупроводники проявляют магнитные (Cd1-xMnxTe) или сегнетоэлектрические свойства (SbSI). Другие при достаточном легировании становятся сверхпроводниками (GeTe и SrTiO3). Многие из недавно открытых высокотемпературных сверхпроводников имеют неметаллические полупроводящие фазы. Например, La2CuO4 является полупроводником, но при образовании сплава с Sr становится сверхроводником (La1-xSrx)2CuO4.

Учебники физики дают полупроводнику определение как материалу с электрическим сопротивлением от 10-4 до 107 Ом·м. Возможно и альтернативное определение. Ширина запрещённой зоны полупроводника — от 0 до 3 эВ. Металлы и полуметаллы – это материалы с нулевым энергетическим разрывом, а вещества, у которых она превышает З эВ, называют изоляторами. Есть и исключения. Например, полупроводниковый алмаз имеет запрещённую зону шириной 6 эВ, полуизолирующий GaAs – 1,5 эВ. GaN, материал для оптоэлектронных приборов в синей области, имеет запрещённую зону шириной 3,5 эВ.

Типы полупроводников, энергетический зазор

Валентные орбитали атомов в кристаллической решётке разделены на две группы энергетических уровней – свободную зону, расположенную на высшем уровне и определяющую электропроводность полупроводников, и валентную зону, расположенную ниже. Эти уровни, в зависимости от симметрии решётки кристалла и состава атомов, могут пересекаться или располагаться на расстоянии друг от друга. В последнем случае между зонами возникает энергетический разрыв или, другими словами, запрещённая зона.

Расположение и заполнение уровней определяет электропроводные свойства вещества. По этому признаку вещества делят на проводники, изоляторы и полупроводники. Ширина запрещённой зоны полупроводника варьируется в пределах 0,01–3 эВ, энергетический зазор диэлектрика превышает 3 эВ. Металлы из-за перекрытия уровней энергетических разрывов не имеют.

Полупроводники и диэлектрики, в противовес металлам, имеют заполненную электронами валентную зону, а ближайшая свободная зона, или зона проводимости, отгорожена от валентной энергетическим разрывом – участком запрещённых энергий электронов.

Типы полупроводников, ширина запрещенной зоны

В диэлектриках тепловой энергии либо незначительного электрического поля недостаточно для совершения скачка через этот промежуток, электроны в зону проводимости не попадают. Они не способны передвигаться по кристаллической решётке и становиться переносчиками электрического тока.

Чтобы возбудить электропроводимость, электрону на валентном уровне нужно придать энергию, которой бы хватило для преодоления энергетического разрыва. Лишь при поглощении количества энергии, не меньшего, чем величина энергетического зазора, электрон перейдёт из валентного уровня на уровень проводимости.

В том случае, если ширина энергетического разрыва превышает 4 эВ, возбуждение проводимости полупроводника облучением либо нагреванием практически невозможно – энергия возбуждения электронов при температуре плавления оказывается недостаточной для прыжка через зону энергетического разрыва. При нагреве кристалл расплавится до возникновения электронной проводимости. К таким веществам относится кварц (dE = 5,2 эВ), алмаз (dE = 5,1 эВ), многие соли.

Примесная и собственная проводимость полупроводников

Чистые полупроводниковые кристаллы имеют собственную проводимость. Такие полупроводники именуются собственными. Собственный полупроводник содержит равное число дырок и свободных электронов. При нагреве собственная проводимость полупроводников возрастает. При постоянной температуре возникает состояние динамического равновесия количества образующихся электронно-дырочных пар и количества рекомбинирующих электронов и дырок, которые остаются постоянными при данных условиях.

Наличие примесей оказывает значительное влияние на электропроводность полупроводников. Добавление их позволяет намного увеличить количество свободных электронов при небольшом числе дырок и увеличить количество дырок при небольшом числе электронов на уровне проводимости.

Примесные полупроводники – это проводники, обладающие примесной проводимостью. Примеси, которые с лёгкостью отдают электроны, называются донорными. Донорными примесями могут быть химические элементы с атомами, валентные уровни которых содержат большее количество электронов, чем атомы базового вещества. Например, фосфор и висмут – это донорные примеси кремния.

Энергия, необходимая для прыжка электрона в область проводимости, носит название энергии активизации. Примесным полупроводникам необходимо намного меньше ее, чем основному веществу. При небольшом нагреве либо освещении освобождаются преимущественно электроны атомов примесных полупроводников. Место покинувшего атом электрона занимает дырка. Но рекомбинации электронов в дырки практически не происходит. Дырочная проводимость донора незначительна. Это происходит потому, что малое количество атомов примеси не позволяет свободным электронам часто приближаться к дырке и занимать её. Электроны находятся около дырок, но не способны их заполнить по причине недостаточного энергетического уровня.

Типы полупроводников, собственная проводимость

Незначительная добавка донорной примеси на несколько порядков увеличивает число электронов проводимости по сравнению с количеством свободных электронов в собственном полупроводнике. Электроны здесь – основные переносчики зарядов атомов примесных полупроводников. Эти вещества относят к полупроводникам n-типа.

Примеси, которые связывают электроны полупроводника, увеличивая в нём количество дырок, называют акцепторными. Акцепторными примесями служат химические элементы с меньшим числом электронов на валентном уровне, чем у базового полупроводника. Бор, галлий, индий – акцепторные примеси для кремния.

Одноэлементные полупроводники

Самым распространённым полупроводником является, конечно, кремний. Вместе с германием он стал прототипом широкого класса полупроводников, обладающих подобными структурами кристалла.

Структура кристаллов Si и Ge та же, что у алмаза и α-олова. В ней каждый атом окружают 4 ближайших атома, которые образуют тетраэдр. Такая координация называется четырехкратной. Кристаллы с тетрадрической связью стали базовыми для электронной промышленности и играют ключевую роль в современной технологии. Некоторые элементы V и VI группы таблицы Менделеева также являются полупроводниками. Примеры полупроводников этого типа – фосфор (Р), сера (S), селен (Se) и теллур (Те). В этих полупроводниках атомы могут иметь трехкратную (Р), двухкратную (S, Se, Те) или четырехкратную координацию. В результате подобные элементы могут существовать в нескольких различных кристаллических структурах, а также быть получены в виде стекла. Например, Se выращивался в моноклинной и тригональной кристаллических структурах или в виде стекла (которое можно также считать полимером).

Типы полупроводников, кремний

• Алмаз обладает отличной термической проводимостью, превосходными механическими и оптическими характеристиками, высокой механической прочностью. Ширина энергетического разрыва — dE = 5,47 эВ.
• Кремний – полупроводник, используемый в солнечных батареях, а в аморфной форме – в тонкоплёночных солнечных батареях. Является наиболее используемым полупроводником в фотоэлементах, прост в производстве, обладает хорошими электрическими и механическими качествами. dE = 1,12 эВ.
• Германий – полупроводник, используемый в гамма-спектроскопии, высокоэффективных фотоэлементах. Использовался в первых диодах и транзисторах. Требует меньше очистки, чем кремний. dE = 0,67 эВ.
• Селен – полупроводник, который применяется в селеновых выпрямителях, обладающих высокой радиационной устойчивостью и способностью к самовосстановлению.

Двухэлементные соединения

Свойства полупроводников, образуемых элементами 3 и 4 групп таблицы Менделеева, напоминают свойства веществ 4 группы. Переход от 4 группы элементов к соединениям 3–4 гр. делает связи частично ионными по причине переноса заряда электронов от атома 3 группы к атому 4 группы. Ионность меняет свойства полупроводников. Она является причиной увеличения кулоновского межионного взаимодействия и энергии энергетического разрыва зонной структуры электронов. Пример бинарного соединения этого типа – антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs, антимонид галлия GaSb, фосфид индия InP, антимонид алюминия AlSb, фосфид галлия GaP.

Ионность возрастает, а значение её еще больше растёт в соединениях веществ 2—6 групп, таких как селенид кадмия, сульфид цинка, сульфид кадмия, теллурид кадмия, селенид цинка. В итоге у большинства соединений 2—6 групп запрещённая зона шире 1 эВ, кроме соединений ртути. Теллурид ртути – полупроводник без энергетического зазора, полуметалл, подобно α-олову.

Полупроводники 2-6 групп с большим энергетическим зазором находят применение в производстве лазеров и дисплеев. Бинарные соединения 2– 6 групп со суженным энергетическим разрывом подходят для инфракрасных приемников. Бинарные соединения элементов 1–7 групп (бромид меди CuBr, иодид серебра AgI, хлорид меди CuCl) по причине высокой ионности обладают запрещённой зоной шире З эВ. Они фактически не полупроводники, а изоляторы. Нитрид галлия — соединение 3-5 групп с широким энергетическим зазором, нашёл применение в полупроводниковых лазерах и светодиодах, работающих в голубой части спектра.

Типы полупроводников, полупроводниковые материалы

• GaAs, арсенид галлия – второй по востребованности после кремния полупроводник, обычно используемый в качестве подложки для других проводников, например, GaInNAs и InGaAs, в ИК-сетодиодах, высокочастотных микросхемах и транзисторах, высокоэффективных фотоэлементах, лазерных диодах, детекторах ядерного излечения. dE = 1,43 эВ, что позволяет повысить мощность приборов по сравнению с кремнием. Хрупок, содержит больше примесей, сложен в изготовлении.
• ZnS, сульфид цинка – цинковая соль сероводородной кислоты с диапазоном запрещённой зоны 3,54 и 3,91 эВ, используется в лазерах и в качестве люминофора.
• SnS, сульфид олова – полупроводник, используемый в фоторезисторах и фотодиодах, dE= 1,3 и 10 эВ.

Типы полупроводников, оксиды

Оксиды металлов преимущественно являются прекрасными изоляторами, но есть и исключения. Примеры полупроводников этого типа – оксид никеля, оксид меди, оксид кобальта, двуокись меди, оксид железа, оксид европия, оксид цинка. Так как двуокись меди существует в виде минерала куприта, её свойства усиленно исследовались. Процедура выращивания полупроводников этого типа еще не совсем понятна, поэтому их применение пока ограничено. Исключение составляет оксид цинка (ZnO), соединение 2—6 групп, применяемый в качестве преобразователя и в производстве клеящих лент и пластырей.

Положение кардинально изменилось после того, как во многих соединениях меди с кислородом была открыта сверхпроводимость. Первым высокотемпературным сверхпроводником, открытым Мюллером и Беднорцем, стало соединение, основанное на полупроводнике La2CuO4 с энергетическим зазором 2 эВ. Замещая трёхвалентный лантан двухвалентным барием или стронцием, в полупроводник вводятся переносчики заряда дырки. Достижение необходимой концентрации дырок превращает La2CuO4 в сверхпроводник. В данное время наибольшая температура перехода в сверхпроводящее состояние принадлежит соединению HgBaCa2Cu3O8. При высоком давлении её значение составляет 134 К.

ZnO, оксид цинка, используется в варисторах, голубых светодиодах, датчиках газа, биологических сенсорах, покрытиях окон для отражения инфракрасного света, как проводник в ЖК-дисплеях и солнечных батареях. dE=3.37 эВ.

Слоистые кристаллы

Двойные соединения, подобные дииодиду свинца, селениду галлия и дисульфиду молибдена, отличаются слоистым строением кристалла. В слоях действуют ковалентные связи значительной силы, намного сильнее ван-дер-ваальсовских связей между самими слоями. Полупроводники такого типа интересны тем, что электроны ведут себя в слоях квази-двумерно. Взаимодействие слоёв изменяется введением сторонних атомов – интеркаляцией.

Типы полупроводников, слоистые кристаллы

MoS2, дисульфид молибдена применяется в высокочастотных детекторах, выпрямителях, мемристорах, транзисторах. dE=1,23 и 1,8 эВ.

Органические полупроводники

Примеры полупроводников на основе органических соединений – нафталин, полиацетилен (CH2)n, антрацен, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. Органические полупроводники обладают преимуществом перед неорганическими: им легко придавать нужные качества. Вещества с сопряжёнными связями вида –С=С–С=, обладают значительной оптической нелинейностью и, благодаря этому, применяются в оптоэлектронике. Кроме того, зоны энергетического разрыва органических полупроводников изменяются изменением формулы соединения, что намного легче, чем у обычных полупроводников. Кристаллические аллотропы углерода фуллерен, графен, нанотрубки – тоже полупроводниками.

• Фуллерен имеет структуру в виде выпуклого замкнутого многогранника из чётного количества атомов углеорода. А легирование фуллерена С60 щелочным металлом превращает его в сверхпроводник.
• Графен образован одноатомным слоем углерода, соединённого в двумерную гексагональную решётку. Обладает рекордной теплопроводностью и подвижностью электронов, высокой жёсткостью
• Нанотрубки представляют собой свернутые в трубку пластины графита, имеющие несколько нанометров в диаметре. Эти формы углерода имеют большую перспективу в наноэлектронике. В зависимости от сцепления могут проявлять металлические или полупроводниковые качества.

Магнитные полупроводники

Соединения с магнитными ионами европия и марганца обладают любопытными магнитными и полупроводниковыми свойствами. Примеры полупроводников этого типа – сульфид европия, селенид европия и твёрдые растворы, подобные Cd1-x­MnxTe. Содержание магнитных ионов влияет на то, как в веществах проявляются такие магнитные свойства, как антиферромагнетизм и ферромагнетизм. Полумагнитные полупроводники – это твёрдые магнитные растворы полупроводников, которые содержат магнитные ионы в небольшой концентрации. Такие твёрдые растворы обращают на себя внимание своей перспективностью и большим потенциалом возможных применений. Например, в отличие от немагнитных полупроводников, в них можно достигнуть в миллион раз большего фарадеевского вращения.

Сильные магнитооптические эффекты магнитных полупроводников позволяют использовать их для оптической модуляции. Перовскиты, подобные Mn0,7Ca0,3O3, своими свойствами превосходят переход металл-полупроводник, прямая зависимость которого от магнитного поля имеет следствием явление гигантской магнето-резистивности. Применяются в радиотехнических, оптических приборах, которые управляются магнитным полем, в волноводах СВЧ-устройств.

Разнообразие полупроводниковых материалов

Помимо упомянутых выше полупроводниковых веществ, есть много других, которые не попадают ни под один из перечисленных типов. Соединения элементов по формуле 1-3-52 (AgGaS2) и 2-4-52 (ZnSiP2) образуют кристаллы в структуре халькопирита. Связи соединений тетраэдрические, аналогично полупроводникам 3–5 и 2–6 групп с кристаллической структурой цинковой обманки. Соединения, которые образуют элементы полупроводников 5 и 6 групп (подобно As2Se3), – полупроводниковые в форме кристалла или стекла. Халькогениды висмута и сурьмы используются в полупроводниковых термоэлектрических генераторах. Свойства полупроводников этого типа чрезвычайно интересны, но они не обрели популярность по причине ограниченного применения. Однако то, что они существуют, подтверждает наличие ещё до конца не исследованных областей физики полупроводников.

Полупроводники

До сих пор, говоря о способности веществ проводить электрический ток, мы делили их на проводники и диэлектрики. Удельное сопротивление обычных проводников находится в интервале Ом·м; удельное сопротивление диэлектриков превышает эти величины в среднем на порядков: Ом·м.

Но существуют также вещества, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Это полупроводники: их удельное сопротивление при комнатной температуре может принимать значения в очень широком диапазоне Ом·м. К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, некоторые другие химические элементы и соединения (Полупроводники чрезвычайно распространены в природе. Например, около 80% массы земной коры приходится на вещества, являющиеся полупроводниками). Наиболее широко примененяются кремний и германий .

Главная особенность полупроводников заключается в том, что их электропроводность резко увеличивается с повышением температуры. Удельное сопротивление полупроводника убывает с ростом температуры примерно так, как показано на рис. 1 .

Рис. 1. Зависимость для полупроводника

Иными словами, при низкой температуре полупроводники ведут себя как диэлектрики, а при высокой — как достаточно хорошие проводники. В этом состоит отличие полупроводников от металлов: удельное сопротивление металла, как вы помните, линейно возрастает с увеличением температуры.

Между полупроводниками и металлами имеются и другие отличия. Так, освещение полупроводника вызывает уменьшение его сопротивления (а на сопротивление металла свет почти не оказывает влияния). Кроме того, электропроводность полупроводников может очень сильно меняться при введении даже ничтожного количества примесей.

Опыт показывает, что, как и в случае металлов, при протекании тока через полупроводник не происходит переноса вещества. Стало быть, электрический ток в полупроводниках обусловлен движением электронов.

Уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании говорит о том, что повышение температуры приводит к увеличению количества свободных зарядов в полупроводнике. В металлах ничего такого не происходит; следовательно, полупроводники обладают иным механизмом электропроводности, чем металлы. И причина этого — различная природа химической связи между атомами металлов и полупроводников.

Ковалентная связь

Металлическая связь, как вы помните, обеспечивается газом свободных электронов, который, подобно клею, удерживает положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Полупроводники устроены иначе — их атомы скрепляет ковалентная связь. Давайте вспомним, что это такое.

Электроны, находящиеся на внешнем электронном уровне и называемые валентными, слабее связаны с атомом, чем остальные электроны, которые расположены ближе к ядру. В процессе образования ковалентной связи два атома вносят «в общее дело» по одному своему валентному электрону. Эти два электрона обобществляются, то есть теперь принадлежат уже обоим атомам, и потому называются общей электронной парой (рис. 2 ).

Рис. 2. Ковалентная связь

Обобществлённая пара электронов как раз и удерживает атомы друг около друга (с помощью сил электрического притяжения). Ковалентная связь — это связь, существующая между атомами за счёт общих электронных пар. По этой причине ковалентная связь называется также парноэлектронной.

Кристаллическая структура кремния

Теперь мы готовы подробнее изучить внутреннее устройство полупроводников. В качестве примера рассмотрим самый распространённый в природе полупроводник — кремний. Аналогичное строение имеет и второй по важности полупроводник — германий.

Пространственная структура кремния представлена на рис. 3 (автор картинки — Ben Mills). Шариками изображены атомы кремния, а трубки, их соединяющие, — это каналы ковалентной связи между атомами.

Рис. 3. Кристаллическая структура кремния

Обратите внимание, что каждый атом кремния скреплён с четырьмя соседними атомами. Почему так получается?

Дело в том, что кремний четырёхвалентен — на внешней электронной оболочке атома кремния расположены четыре валентных электрона. Каждый из этих четырёх электронов готов образовать общую электронную пару с валентным электроном другого атома. Так и происходит! В результате атом кремния окружается четырьмя пристыковавшимися к нему атомами, каждый из которых вносит по одному валентному электрону. Соответственно, вокруг каждого атома оказывается по восемь электронов (четыре своих и четыре чужих).

Более подробно мы видим это на плоской схеме кристаллической решётки кремния (рис. 4 ).

Рис. 4. Кристаллическая решётка кремния

Ковалентные связи изображены парами линий, соединяющих атомы; на этих линиях находятся общие электронные пары. Каждый валентный электрон, расположенный на такой линии, большую часть времени проводит в пространстве между двумя соседними атомами.

Однако валентные электроны отнюдь не «привязаны намертво» к соответствующим парам атомов. Происходит перекрытие электронных оболочек всех соседних атомов, так что любой валентный электрон есть общее достояние всех атомов-соседей. От некоторого атома 1 такой электрон может перейти к соседнему с ним атому 2, затем — к соседнему с ним атому 3 и так далее. Валентные электроны могут перемещаться по всему пространству кристалла — они, как говорят, принадлежат всему кристаллу (а не какой-либо одной атомной паре).

Тем не менее, валентные электроны кремния не являются свободными (как это имеет место в металле). В полупроводнике связь валентных электронов с атомами гораздо прочнее, чем в металле; ковалентные связи кремния не разрываются при невысоких температурах. Энергии электронов оказывается недостаточно для того, чтобы под действием внешнего электрического поля начать упорядоченное движение от меньшего потенциала к большему. Поэтому при достаточно низких температурах полупроводники близки к диэлектрикам — они не проводят электрический ток.

Собственная проводимость

Если включить в электрическую цепь полупроводниковый элемент и начать его нагревать, то сила тока в цепи возрастает. Следовательно, сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры. Почему это происходит?

При повышении температуры тепловые колебания атомов кремния становятся интенсивнее, и энергия валентных электронов возрастает. У некоторых электронов энергия достигает значений, достаточных для разрыва ковалентных связей. Такие электроны покидают свои атомы и становятся свободными (или электронами проводимости) — точно так же, как в металле. Во внешнем электрическом поле свободные электроны начинают упорядоченное движение, образуя электрический ток.

Чем выше температура кремния, тем больше энергия электронов, и тем большее количество ковалентных связей не выдерживает и рвётся. Число свободных электронов в кристалле кремния возрастает, что и приводит к уменьшению его сопротивления.

Разрыв ковалентных связей и появление свободных электронов показан на рис. 5 . На месте разорванной ковалентной связи образуется дырка — вакантное место для электрона. Дырка имеет положительный заряд, поскольку с уходом отрицательно заряженного электрона остаётся нескомпенсированный положительный заряд ядра атома кремния.

Рис. 5. Образование свободных электронов и дырок

Дырки не остаются на месте — они могут блуждать по кристаллу. Дело в том, что один из соседних валентных электронов, «путешествуя» между атомами, может перескочить на образовавшееся вакантное место, заполнив дырку; тогда дырка в этом месте исчезнет, но появится в том месте, откуда электрон пришёл.

При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок носит случайный характер, ибо валентные электроны блуждают между атомами хаотически. Однако в электрическом поле начинается направленное движение дырок. Почему? Понять это несложно.

На рис. 6 изображён полупроводник, помещённый в электрическое поле . В левой части рисунка — начальное положение дырки.

Рис. 6. Движение дырки в электрическом поле

Куда сместится дырка? Ясно, что наиболее вероятны перескоки «электрон > дырка» в направлении против линий поля (то есть к «плюсам», создающим поле). Один из таких перескоков показан в средней части рисунка: электрон прыгнул влево, заполнив вакансию, а дырка, соответственно, сместилась вправо. Следующий возможный скачок электрона, вызванный электрическим полем, изображён в правой части рисунка; в результате этого скачка дырка заняла новое место, расположенное ещё правее.

Мы видим, что дырка в целом перемещается по направлению линий поля — то есть туда, куда и полагается двигаться положительным зарядам. Подчеркнём ещё раз, что направленное движение дырки вдоль поля вызвано перескоками валентных электронов от атома к атому, происходящими преимущественно в направлении против поля.

Таким образом, в кристалле кремния имеется два типа носителей заряда: свободные электроны и дырки. При наложении внешнего электрического поля появляется электрический ток, вызванный их упорядоченным встречным движением: свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряжённости поля , а дырки — в направлении вектора .

Возникновение тока за счёт движения свободных электронов называется электронной проводимостью, или проводимостью n-типа. Процесс упорядоченного перемещения дырок называется дырочной проводимостью,или проводимостью p-типа (от первых букв латинских слов negativus (отрицательный) и positivus (положительный)). Обе проводимости — электронная и дырочная — вместе называются собственной проводимостью полупроводника.

Каждый уход электрона с разорванной ковалентной связи порождает пару «свободный электрон–дырка». Поэтому концентрация свободных электронов в кристалле чистого кремния равна концентрации дырок. Соответственно, при нагревании кристалла увеличивается концентрация не только свободных электронов, но и дырок, что приводит к возрастанию собственной проводимости полупроводника за счёт увеличения как электронной, так и дырочной проводимости.

Наряду с образованием пар «свободный электрон–дырка» идёт и обратный процесс: рекомбинация свободных электронов и дырок. А именно, свободный электрон, встречаясь с дыркой, заполняет эту вакансию, восстанавливая разорванную ковалентную связь и превращаясь в валентный электрон. Таким образом, в полупроводнике устанавливается динамическое равновесие: среднее число разрывов ковалентных связей и образующихся электронно-дырочных пар в единицу времени равно среднему числу рекомбинирующих электронов и дырок. Это состояние динамического равновесия определяет равновесную концентрацию свободных электронов и дырок в полупроводнике при данных условиях.

Изменение внешних условий смещает состояние динамического равновесия в ту или иную сторону. Равновесное значение концентрации носителей заряда при этом, естественно, изменяется. Например, число свободных электронов и дырок возрастает при нагревании полупроводника или при его освещении.

При комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок в кремнии приблизительно равно см . Концентрация же атомов кремния — порядка см . Иными словами, на атомов кремния приходится лишь один свободный электрон! Это очень мало. В металлах, например, концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов. Соответственно, собственная проводимость кремния и других полупроводников при нормальных условиях мала по сравнению с проводимостью металлов.

Примесная проводимость

Важнейшей особенностью полупроводников является то, что их удельное сопротивление может быть уменьшено на несколько порядков в результате введения даже весьма незначительного количества примесей. Помимо собственной проводимости у полупроводника возникает доминирующая примесная проводимость. Именно благодаря этому факту полупроводниковые приборы нашли столь широкое применение в науке и технике.
Предположим, например, что в расплав кремния добавлено немного пятивалентного мышьяка . После кристаллизации расплава оказывается, что атомы мышьяка занимают места в некоторых узлах сформировавшейся кристаллической решётки кремния.

На внешнем электронном уровне атома мышьяка имеется пять электронов. Четыре из них образуют ковалентные связи с ближайшими соседями — атомами кремния (рис. 7 ). Какова судьба пятого электрона, не занятого в этих связях?

Рис. 7. Полупроводник n-типа

А пятый электрон становится свободным! Дело в том, что энергия связи этого «лишнего» электрона с атомом мышьяка, расположенным в кристалле кремния, гораздо меньше энергии связи валентных электронов с атомами кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка в результате теплового движения остаются без пятого электрона, превращаясь в положительные ионы. А кристалл кремния, соответственно, наполняется свободными электронами, которые отцепились от атомов мышьяка.

Наполнение кристалла свободными электронами для нас не новость: мы видели это и выше, когда нагревался чистый кремний (без каких-либо примесей). Но сейчас ситуация принципиально иная: появление свободного электрона, ушедшего из атома мышьяка, не сопровождается появлением подвижной дырки. Почему? Причина та же — связь валентных электронов с атомами кремния гораздо прочнее, чем с атомом мышьяка на пятой вакансии, поэтому электроны соседних атомов кремния и не стремятся эту вакансию заполнить. Вакансия, таким образом, остаётся на месте, она как бы «приморожена» к атому мышьяка и не участвует в создании тока.

Таким образом, внедрение атомов пятивалентного мышьяка в кристаллическую решётку кремния создаёт электронную проводимость, но не приводит к симметричному появлению дырочной проводимости. Главная роль в создании тока теперь принадлежит свободным электронам, которые в данном случае называются основными носителями заряда.

Механизм собственной проводимости, разумеется, продолжает работать и при наличии примеси: ковалентные связи по-прежнему рвутся за счёт теплового движения, порождая свободные электроны и дырки. Но теперь дырок оказывается гораздо меньше, чем свободных электронов, которые в большом количестве предоставлены атомами мышьяка. Поэтому дырки в данном случае будут неосновными носителями заряда.

Примеси, атомы которых отдают свободные электроны без появления равного количества подвижных дырок, называются донорными. Например, пятивалентный мышьяк — донорная примесь. При наличии в полупроводнике донорной примеси основными носителями заряда являются свободные электроны, а неосновными — дырки; иными словами, концентрация свободных электронов намного превышает концентрацию дырок. Поэтому полупроводники с донорными примесями называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа (или просто n-полупроводниками).

А насколько, интересно, концентрация свободных электронов может превышать концентрацию дырок в n-полупроводнике? Давайте проведём простой расчёт.

Предположим, что примесь составляет , то есть на тысячу атомов кремния приходится один атом мышьяка. Концентрация атомов кремния, как мы помним, порядка см .

Концентрация атомов мышьяка, соответственно, будет в тысячу раз меньше: см . Такой же окажется и концентрация свободных электронов, отданных примесью — ведь каждый атом мышьяка отдаёт по электрону. А теперь вспомним, что концентрация электронно-дырочных пар, появляющихся при разрывах ковалентных связей кремния, при комнатной температуре примерно равна см . Чувствуете разницу? Концентрация свободных электронов в данном случае больше концентрации дырок на порядков, то есть в миллиард раз! Соответственно, в миллиард раз уменьшается удельное сопротивление кремниевого полупроводника при введении столь небольшого количества примеси.

Приведённый расчёт показывает, что в полупроводниках n-типа основную роль действительно играет электронная проводимость. На фоне столь колоссального превосходства численности свободных электронов вклад движения дырок в общую проводимость пренебрежимо мал.

Можно, наоборот, создать полупроводник с преобладанием дырочной проводимости. Так получится, если в кристалл кремния внедрить трёхвалентную примесь — например, индий . Результат такого внедрения показан на рис. 8 .

Рис. 8. Полупроводник p-типа

Что происходит в этом случае? На внешнем электронном уровне атома индия расположены три электрона, которые формируют ковалентные связи с тремя окружающими атомами кремния. Для четвёртого соседнего атома кремния у атома индия уже не хватает электрона, и в этом месте возникает дырка.

И дырка эта не простая, а особенная — с весьма большой энергией связи. Когда в неё попадёт электрон из соседнего атома кремния, он в ней «застрянет навеки», ибо притяжение электрона к атому индия весьма велико — больше, чем к атомам кремния. Атом индия превратится в отрицательный ион, а в том месте, откуда электрон пришёл, возникнет дырка — но теперь уже обыкновенная подвижная дырка в виде разорванной ковалентной связи в кристаллической решётке кремния. Эта дырка обычным образом начнёт блуждать по кристаллу за счёт «эстафетной» передачи валентных электронов от одного атома кремния к другому.

И так, каждый примесный атом индия порождает дырку, но не приводит к симметричному появлению свободного электрона. Такие примеси, атомы которых захватывают «намертво» электроны и тем самым создают в кристалле подвижную дырку, называются акцепторными.

Трёхвалентный индий — пример акцепторной примеси.

Если в кристалл чистого кремния ввести акцепторную примесь, то число дырок, порождённых примесью, будет намного больше числа свободных электронов, возникших за счёт разрыва ковалентных связей между атомами кремния. Полупроводник с акцепторной примесью — это дырочный полупроводник, или полупроводник p-типа (или просто p-полупроводник).

Дырки играют главную роль при создании тока в p-полупроводнике; дырки — основные носители заряда. Свободные электроны — неосновные носители заряда в p-полупроводнике. Движение свободных электронов в данном случае не вносит существенного вклада: электрический ток обеспечивается в первую очередь дырочной проводимостью.

p–n-переход

Место контакта двух полупроводников с различными типами проводимости (электронной и дырочной) называется электронно-дырочным переходом, или p–n-переходом. В области p–n-перехода возникает интересное и очень важное явление — односторонняя проводимость.

На рис. 9 изображён контакт областей p- и n-типа; цветные кружочки — это дырки и свободные электроны, которые являются основными (или неосновными) носителями заряда в соответствующих областях.

Рис. 9. Запирающий слой p–n-перехода

Совершая тепловое движение, носители заряда проникают через границу раздела областей.

Свободные электроны переходят из n-области в p-область и рекомбинируют там с дырками; дырки же диффундируют из p-области в n-область и рекомбинируют там с электронами.

В результате этих процессов в электронном полупроводнике около границы контакта остаётся нескомпенсированный заряд положительных ионов донорной примеси, а в дырочном полупроводнике (также вблизи границы) возникает нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Эти нескомпенсированные объёмные заряды образуют так называемый запирающий слой , внутреннее электрическое поле которого препятствует дальнейшей диффузии свободных электронов и дырок через границу контакта.

Подключим теперь к нашему полупроводниковому элементу источник тока, подав «плюс» источника на n-полупроводник, а «минус» — на p-полупроводник (рис. 10 ).

Рис. 10. Включение в обратном направлении: тока нет

Мы видим, что внешнее электрическое поле уводит основные носители заряда дальше от границы контакта. Ширина запирающего слоя увеличивается, его электрическое поле возрастает. Сопротивление запирающего слоя велико, и основные носители не в состоянии преодолеть p–n-переход. Электрическое поле позволяет переходить границу лишь неосновным носителям, однако ввиду очень малой концентрации неосновных носителей создаваемый ими ток пренебрежимо мал.

Рассмотренная схема называется включением p–n-перехода в обратном направлении. Электрического тока основных носителей нет; имеется лишь ничтожно малый ток неосновных носителей. В данном случае p–n-переход оказывается закрытым.

Теперь поменяем полярность подключения и подадим «плюс» на p-полупроводник, а «минус»—на n-полупроводник (рис. 11 ). Эта схема называется включением в прямом направлении.

Рис. 11. Включение в прямом направлении: ток идёт

В этом случае внешнее электрическое поле направлено против запирающего поля и открывает путь основным носителям через p–n-переход. Запирающий слой становится тоньше, его сопротивление уменьшается.

Происходит массовое перемещение свободных электронов из n-области в p-область, а дырки, в свою очередь, дружно устремляются из p-области в n-область.

В цепи возникает ток , вызванный движением основных носителей заряда (Теперь, правда, электрическое поле препятствует току неосновных носителей, но этот ничтожный фактор не оказывает заметного влияния на общую проводимость).

Односторонняя проводимость p–n-перехода используется в полупроводниковых диодах. Диодом называется устройство, проводящие ток в лишь одном направлении; в противоположном направлении ток через диод не проходит (диод, как говорят, закрыт). Схематическое изображение диода показано на рис. 12 .

В данном случае диод открыт в направлении слева направо: заряды как бы текут вдоль стрелки (видите её на рисунке?). В направлении справа налево заряды словно упираются в стенку — диод закрыт.

Благодарим за то, что пользуйтесь нашими статьями. Информация на странице «Полупроводники» подготовлена нашими авторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ. Чтобы успешно сдать нужные и поступить в ВУЗ или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий. Также вы можете воспользоваться другими материалами из данного раздела.

Какие вещества называют полупроводниками

Полупроводник — это материал, по показателям удельной проводимости занимающий промежуточный пункт между такими компонентами, как диэлектрик и проводник. На их проводящую способность влияют следующие параметры: объем примесей, температуры и влияние разнообразных типов излучения. Ключевое свойство полупроводниковых материалов заключается в том, что возрастает электропроводность в тех случаях, когда повышается температура.

Механизм электрической проводимости

Наибольшим интересом сегодня пользуются полупроводники, особенно электронные. Подобно металлам, в них ток перемещается благодаря электронам. Проводимость металлических элементов так же, как и электронных полупроводников зависит от концентрации токовых энергоносителей. В полупроводниковых элементах содержание электронных частиц, находящихся в независимом положении, в 1000 раз ниже, чем в железе.

В полупроводниках все время проистекают 2 совершенно противоположных процесса:

• Освобождение электронных частиц с одновременным расходованием световой либо внутренней энергии.
• Воссоединение с ионом, потерявшим свой электрон.

Равновесное состояние между связанными и свободными электронами чисто динамическое. Для перехода из первого положения во второе нужно обеспечить их вспомогательной энергией. Металлический материал даже при невысокой температуре имеет большую долю освобожденных электронов. Усилий между взаимодействием молекул в металлах хватает для высвобождения их определенного количества.

Относительно немного свободных полупроводниковых электронов отрывается от атомов. Последние становятся ионами. Каждый из них окружен огромным числом незаряженных атомов. Нейтральные атомные частицы отдают собственный электрон иону, становясь им, причем незаряженным.

Таким образом, обмен элементарными частицами приводит к смене места расположения положительных атомов в полупроводнике, поскольку плюсовой заряд смещается. Пока на полупроводниковом материале не возникнет внешнего поля, каждому электрону, перемещающемуся в одном направлении, будет противопоставляться движение частиц в противоположную сторону. Подобное действие происходит с положительным зарядом.

Если накладываются внешние поля, процессам обеспечивается приоритетное направление. Освобожденные электроны перемещаются в сторону, противоположному от поля, положительные двигаются внутри него. Образуется односторонний ток, электропроводность создается этими 2-мя процессами.

Участок, в котором вместо незаряженного атома есть плюсовой ион, называется «дыркой». На самом деле перемещаются только электроны, однако при движении связанных частиц от атомов к ионам возникает необычный эффект, будто положительно заряженные «дырки» все время смещаются.

Виды полупроводников

Все полупроводники делятся на 3 категории:

• Атомные. Атом имеет кристаллическую решетку: кремний, бор, сера, фосфор, селен, германий, серое олово, цирконий. Такие элементы относят к 4,5,6 группам периодической таблицы Д. И. Менделеева. Они создают компактную группировку, в которой с левой стороны располагаются полупроводники, имеющие характерное свойство металла, в правой части – металлоиды.
• Элементы с ионной решеткой, состоящей из кристаллов. В таких компонентах атомы связываются между собой кулоновскими силами, как пример PbS, CdS.
• Полупроводники с истинно нейтральными соединениями. В подобных элементах атомы объединяются в кристаллики одной огромной молекулы: антимонид индия, карбид кремния, арсенид галлия.

По характеру электропроводности

Полупроводниковые материалы выпускаются 2-х разновидностей: самостоятельной (собственной); добавленной за счет примеси электропроводности.

Собственная проводимость

Когда «дыры» и независимые электронные частицы образуются в ходе окисления атомов кристалла, аналогичное поведение присуще полупроводникам первой разновидности. Концентрация «дыры» соответствует соотношению освобожденных электронных частиц.

Примесная проводимость

В кристаллики в ходе производства добавляется примесь, вещество с молекулами 3-х либо 5-ти валентного элемента из таблицы Менделеева.

По виду проводимости

Полупроводниковые материалы существуют 2-х разновидностей: электронные (n-вида), дырочные (р-вида).

Электронные полупроводники (n-типа)

Терминология «n-тип» возникла от английского названия «negative», означающего минусовую энергию главных токовых носителей. Подобная разновидность полупроводниковых материалов характеризуется примесным происхождением. В 4-х валентное полупроводниковое вещество (кремний) добавляется смесь 5-ти валентного мышьяка. В ходе соприкосновения каждая частица второй добавки образует ковалентное соединение с кремниевыми атомными компонентами.

Между тем для 5-го электрона мышьяка не хватает пространства для связи, поэтому он перемещается на самую далекую область, где для отсоединения от атома требуется совсем мало заряда. В этой зоне электрону удается оторваться, он становится совершенно свободным и независимым. При подобном раскладе энергия переносится не «дырой», а электронной частицей. Такой тип полупроводников способен пропускать электрический ток точно так же, как и металл. Элемент, добавленный в полупроводниковые материалы, называется донорным.

Дырочные полупроводники (р-типа)

Терминология «p-вид» возникла от английского названия «positive», означающего плюсовую энергию главных токовых носителей. Этой разновидности полупроводниковых материалов, помимо добавленной основы (примеси), характерна природная электропроводность за счет дырок. В 4-х валентное полупроводниковое вещество (кремний) добавляется 3-х валентная примесь (индий) в небольшом объеме.

Каждая частичка добавленного вещества образует ковалентное соединение с соседом – 3-мя компонентами основного элемента кремния. Для соединения с 4-й кремниевой частицей индий не имеет истинно нейтрального электрона. У него не остается другого выхода, как захватывать частицу из связки близкорасположенных атомов кремния. В результате он превращается в заряженный (минусовый) ион, благодаря этому появляется «дыра». Добавленные вещества (примеси) называют акцепторными.

Использование в радиотехнике

В полупроводниковую категорию относятся материалы, которые способны пропускать через себя электрический ток. Такие вещества по физическим характеристикам располагаются посередке металлов и диэлектриков. Отличаться от железа позволяет способность создавать электрический ток благодаря свету, теплу, электронному потоку и иным источникам энергии. Без подобного воздействия при температуре, приближенной к нулю, они принимают свойства изоляторов. Полупроводники нашли применение в схемах радиотехники в качестве разнообразных деталей.

Термисторы

Электрическая проводимость таких материалов меняется под влиянием температур. Это качество позволяет применять их в приборах, связанных с температурными измерениями. Они намного чувствительнее, чем простые металлические термометры сопротивления. Их называют термисторами, они широко востребованы в технике.

Применение термометров помогает отслеживать температуру одновременно в нескольких местах. Все данные передаются на центральный прибор. Благодаря этому удается поддерживать требуемый температурный уровень за счет запуска и отключения отопительного оборудования. Термисторы регулируют величину сопротивления, меняя температуру в обе стороны.

Фотосопротивление

Даже небольшой свет может способствовать освобождению электронов. За счет повышения тока, усиленного многократно специальными устройствами, получается добиться необходимого сигнала. Подобное явление является фотопроводимостью. Приборы, произведенные на такой основе, называются фотосопротивлениями. Они применяются в электронике: в автоматике и системах сигнализации, там, где нужно контролировать и управлять процессами на удалении. Благодаря приборам предупреждается возникновение аварии и несчастных случаев за счет остановки машин и механизмов в автоматическом режиме.

Полупроводниковый диод

Диод – это прибор, который состоит из 2-х полупроводниковых слоев: «p» – позитив, «n» – негатив. На границе 2-х уровней возникает «p-n» переход. Анодом становится часть «р», а катодом – «n». Диод проводит ток исключительно от первого ко второму. На схемах расположение слоев обозначается таким образом:

Транзистор

Транзистором называется полупроводниковый радиоэлемент, используемый для изменений характеристик электрического тока, управления им. У простого триода есть 3 вывода: база, куда приходят сигналы, коллектор, эмиттер. Некоторые крупные транзисторы востребованы в промышленности и энергетическом оборудовании, маленькие – в микросхемах.

Типы полупроводников в периодической системе элементов

В таблице показаны сведения о соединениях полупроводников. Они делятся на следующие виды:

• Одноэлементные 4 гр. Менделеевской таблицы.
• Сложные: 2-х элементные A3BV и A2B6 из 3-й и 5-й гр., из 2-й и 6-й гр.

Все полупроводниковые элементы имеют интересную характеристику: при добавлении времени запрещённая зона по ширине сокращается.

Физические свойства и применение

Физические характеристики полупроводниковых материалов:

• Отличительная уникальность. Отмечается повышение электропроводности при росте температуры, если она невысокая, то электропроводность низкая. Когда t приближается к нулю, полупроводниковые элементы приобретают параметры изоляторов.
• Контакт 2-х полупроводников проводит ток исключительно в одну сторону. Такое качество применяется в процессе изготовления различных полупроводниковых элементов: транзисторов, диодов, тиристоров.
• Места соприкосновения разнообразных полупроводников, если их освещать или нагревать, становятся истоком фото- или термоэлектродвижущей силы. Приборы, созданные на основе полупроводников, часто встречаются в приемниках радиосигналов, преобразователях, работающих на квантовой энергии, лазерных установках, микрокомпьютерах, атомной батарее. Из полупроводников изготавливают переключатели, усилители, выпрямители.

Методы получения

Самый востребованный способ очистки полупроводников — «зонная плавка». Другой распространенный вариант – «вытягивание монокристаллов из расплавленного материала», называется методом Чохральского. При первом способе кусок «грязного» полупроводника кладется в чистую графитовую лодочку, помещенную в кварцевую трубку, по которой постоянно протекает инертный газ аргон, препятствующий проникновению в нее различных примесей, воздуха.

С помощью небольшого кольцевого нагревателя удается расплавить маленькую часть слитка, затем с медленной скоростью перемещается расплавленный кусок вдоль нагревательного элемента. Если повторить такой процесс много раз, остается чистый слиток, поскольку грязный конец отламывается.

При втором способе медленно вытягивается кусок кристалла из расплава, находящегося в инертном газе. В процессе вытяжки для получения однородной структуры полупроводника и равномерного смешивания введенных примесей создают круговое движение в разные направления с четким контролем температуры плавления. Затем кристалл остывает и идет в производство.

Оптика полупроводников

Полупроводники имеют блеск металла и очень похожи на них как по внешнему виду, так и по свойству отражения и поглощения световой энергии. В видимой зоне спектра они сильно поглощают свет. Характерной спецификой довольно чистых полупроводников является уменьшение поглощательной способности длины волны инфракрасной области.

Список полупроводников

Группа IV

Собственные: кремниевые, из серого олова и германия. Составные: кремниево-германиевые, карбидно-кремниевые.

Группа III-V

2-х компонентные: · арсенид-, антимонид-, фосфид-, нитрид-алюминиевые; · нитрид-, арсенид-, фосфид-борные; · антимонид-, нитрид-, арсенид-, фосфид-галлиевые; · арсенид-, антимонид-, фосфид-, нитрид-индиевые. 3-х, 4-х, 5-ти компонентные.

Группа II-VI

2-х компонентные: сульфидные, селениды, оксидные, теллурид-кадмиевые; сульфид-цинковые и 3-х компонентные.

Группа I-VII

2-х компонентные: хлорид-медные.

Группа IV-VI

2-х компонентные: сульфид-, селенид-, теллурид-свинцовые; селенид-,теллурид-, сульфид-оловянные и 3-х компонентные.

Группа V-VI

2-х компонентные – теллурид-висмута.

Группа II-V

2-х компонентные: арсенид-, фосфид-, антимонид-кадмиевые; арсенид-, фосфид-, антимонид-цинковые.

Другие

Иодид-висмутовые, медные, ртутные, силицид-платиновые, бромид-таллиевые, дисульфид-молибденовые, сульфид-висмутовые, оловянные, селенид-галлиевые, диоксид-титановые, урановые, оксид-медные.

Органические полупроводники

Пентаценные, тетраценные, перинонные, акридонные, флавантронные, индольные, индантронные.

Магнитные полупроводники

Антиферромагнетики: селенид и теллурид европия, оксид-никелевые. Ферромагнетики: сульфид и оксид европия, легированный марганец и углерод.

Заключение

Полупроводники, благодаря своим качествам, стали востребованным материалом во многих отраслях. Они выделяются маленьким весом и габаритами, высокой надежностью, низким энергопотреблением, не чувствительны к магнитным полям.

Проводники, полупроводники

Проводники – имеют свободные носители зарядов, участвующие в тепловом движении, перемещаясь по всему телу вещества. Простым языком те вещества, которые хорошо проводят через себя электричество, и передают его от одного заряженного тела, к другому.

Примерами проводников являются металлы, вода, земля, тело человека. Некоторые не металлы, к примеру, углерод – составляющий уголь и графит. Разнообразные растворы кислот и солей.

Различные проводники по-своему проводят электрический ток: один лучше, другой хуже.

Драгоценные металлы – отличные проводники, но их цена даёт возможность применять их только там, где их применение оправдывает себя по себестоимости.

Другие проводники имеют большое сопротивление и в обычных схемах не используются, но их свойства применяют в тех же лампах накаливания. Пример: молибден и вольфрам.

Полупроводник.

Полупроводники – это вещества сочетающие свойства проводников и не проводников.

Полупроводник в нормальном состоянии пропускает определённое количество тока, либо вообще не пропускает. Но при изменении их температуры, начинает очень хорошо пропускать заряды.

Играя на этих свойствах: повышая или понижая температуру, можно делать так, чтобы полупроводник либо пропускал ток

К таким материалам относятся: кремний, германий, селен, смеси различных химических веществ.

Полупроводники нашли широкое применение в электронике. Их используют при изготовлении радиодеталей: транзисторы, диоды, тиристоры и другие.

Строение полупроводников

Полупроводники N-типа содержат избыточное количество электронов, переносящих отрицательный заряд. Полупроводники Р-типа испытывают нехватку электронов, но зато имеют избыток дырок (вакантных мест для электронов), которые переносят положительный заряд.

Отличительные признаки полупроводников

В отличие от проводников, имеющих много свободных электронов, и изоляторов, практически их не имеющих, полупроводники содержат небольшое количество свободных электронов и так называемые дырки (белый кружочек) — вакантные места, оставленные свободными электронами. И дырки и электроны проводят электрический ток.

Конструктивные особенности, которыми обладают электрические полупроводники

Проводники имеют много свободных электронов. Изоляторы ими вообще практически не обладают. Полупроводники же содержат и определённое количество свободных электронов, и пропуски с позитивным зарядом, которые готовы принять освободившиеся частицы. И что самое главное – они все проводят электрический ток. Рассмотренный ранее тип NPN-транзистора – не единый возможный полупроводниковый элемент. Так, существуют ещё PNP-транзисторы, а также диоды.

Если говорить про последний кратко, то это такой элемент, что может передавать сигналы только в одном направлении. Также диод может превратить переменный ток в постоянный. Каков механизм такого превращения? И почему он двигается только в одном направлении? Зависимо от того, откуда идёт ток, электроны и пропуски могут или расходиться, или идти навстречу. В первом случает из-за увеличения расстояния происходит прерывание подачи снабжения, поэтому и осуществляется передача носителей негативного напряжения только в одну сторону, то есть проводимость полупроводников является односторонней. Ведь ток может передаваться исключительно в случае, если составляющие частицы находятся рядом. А это возможно только при подаче тока с одной стороны. Вот такие типы полупроводников существуют и используются на данный момент.

Зонная структура

Электрические и оптические свойства проводников связаны с тем, что при заполнении электронами уровней энергии они отделены от возможных состояний запрещенной зоной. Какие у неё особенности? Дело в том, что в запрещенной зоне отсутствуют уровни энергии. При помощи примесей и дефектов структуры это можно изменить. Высшая полностью заполненная зона называется валентной. Затем следует разрешенная, но пустая. Она называется зоной проводимости. Физика полупроводников – довольно интересная тема, и в рамках статьи она будет хорошо освещена.

Состояние электронов

Для этого используются такие понятия, как номер разрешенной зоны и квазиимпульс. Структура первой определяется законом дисперсии. Он говорит о том, что на неё влияет зависимость энергии от квазиимпульса. Так, если валентная зона является целиком заполненной электронами (которые переносят заряд в полупроводниках), то говорят, что в ней отсутствуют элементарные возбуждения. Если по какой-то причине частицы нет, то это значит, что здесь появилась положительно заряженная квазичастица – пропуск или дыра. Они являются носителями заряда в полупроводниках в валентной зоне.

Примеси и дефекты в полупроводниках

Они могут быть электрически неактивными или активными. Использование первых позволяет получать в полупроводниках плюсовой или минусовой заряд, который может быть компенсирован появлением дыры в валентной зоне или электрона в проводимой зоне. Неактивные примеси являются нейтральными, и они относительно слабо влияют на электронные свойства. Причем часто может иметь значение то, какую валентность имеют атомы, которые берут участие в процессе передачи заряда, и строение кристаллической решетки.

Зависимо от вида и количества примесей может меняться и соотношение между количеством дыр и электронов. Поэтому материалы полупроводников должны всегда тщательно подбираться, чтобы получить желаемый результат. Этому предшествует значительное количество расчетов, а в последующем и экспериментов. Частицы, которые большинство называют основными носителями заряда, являются неосновными.

Дозированное введение примесей в полупроводники позволяет получать устройства с требуемыми свойствами. Дефекты в полупроводниках также могут быть в неактивном либо активном электрическом состоянии. Важными здесь являются дислокация, межузельный атом и вакансия. Жидкие и некристаллические проводники реагируют на примеси по-другому, чем кристаллические. Отсутствие жесткой структуры в конечном итоге выливается в то, что перемещенный атом получает другую валентность. Она будет отличаться от той, с которой он первоначально насыщает свои связи. Атому становится невыгодно отдавать или присоединять электрон. В таком случае он становится неактивным, и поэтому примесные полупроводники имеют большие шансы на выход из строя. Это приводит к тому, что нельзя менять тип проводимости с помощью легирования и создать, к примеру, р-n-переход.

Некоторые аморфные полупроводники могут изменять свои электронные свойства под воздействием легирования. Но это относится к ним в значительно меньшей степени, чем к кристаллическим. Чувствительность аморфных элементов к легированию можно повысить с помощью технологической обработки. В конечном итоге хочется отметить, что благодаря длительной и упорной работе примесные полупроводники все же представлены целым рядом результатов с хорошими характеристиками.

Существуют различные типы полупроводниковых материалов в зависимости от присутствующих в них примесей и их физической реакции на различные воздействия окружающей среды..

Собственные полупроводники

Те элементы, молекулярная структура которых состоит из одного типа атома. К таким типам полупроводников относятся кремний и германий..

Молекулярная структура собственных полупроводников является тетраэдрической; то есть он имеет ковалентные связи между четырьмя окружающими атомами, как показано на рисунке ниже.

Каждый атом собственного полупроводника имеет 4 валентных электрона; то есть 4 электрона, вращающиеся во внешнем слое каждого атома. В свою очередь каждый из этих электронов образует связи со смежными электронами.

Таким образом, каждый атом имеет 8 электронов в своем наиболее поверхностном слое, который образует прочный союз между электронами и атомами, составляющими кристаллическую решетку..

Из-за этой конфигурации электроны не могут легко перемещаться внутри структуры. Таким образом, в стандартных условиях собственные полупроводники ведут себя как изолятор.

Однако проводимость собственного полупроводника возрастает всякий раз, когда температура увеличивается, поскольку некоторые валентные электроны поглощают тепловую энергию и отделяются от связей.

Эти электроны становятся свободными электронами и, если на них правильно воздействует разница в электрическом потенциале, они могут способствовать циркуляции тока в кристаллической решетке..

В этом случае свободные электроны переходят в зону проводимости и переходят к положительному полюсу источника потенциала (например, батареи)..

Движение валентных электронов вызывает вакуум в молекулярной структуре, что приводит к эффекту, подобному тому, который мог бы вызвать положительный заряд в системе, поэтому они рассматриваются как носители положительного заряда..

Затем имеет место обратный эффект, поскольку некоторые электроны могут выпадать из зоны проводимости до тех пор, пока валентный слой не высвободит энергию в процессе, который получает название рекомбинации..

Внешние полупроводники

Они соответствуют включением примесей в собственные проводники; то есть путем включения трехвалентных или пятивалентных элементов.

Этот процесс известен как легирование и направлен на повышение проводимости материалов, улучшение физических и электрических свойств этих.

Подставляя собственный атом полупроводника на атом другого компонента, можно получить два типа внешних полупроводников, которые подробно описаны ниже..

В этом случае примесь является трехвалентным полупроводниковым элементом; то есть с тремя (3) электронами в своей валентной оболочке.

Нарушающие элементы в структуре называются легирующими элементами. Примерами этих элементов для полупроводников P-типа являются бор (B), галлий (Ga) или индий (In).

Не имея валентного электрона для образования четырех ковалентных связей собственного полупроводника, полупроводник P-типа имеет зазор в недостающем звене.

Это делает прохождение электронов, которые не принадлежат к кристаллической сети через эту дырку с носителем положительного заряда.

Из-за положительного заряда зазора звена этот тип проводников называется буквой «Р» и, следовательно, они распознаются как акцепторы электронов..

Поток электронов через зазоры связи создает электрический ток, который течет в направлении, противоположном току, получаемому от свободных электронов..

Навязчивый элемент в конфигурации дается пятивалентными элементами; то есть те, которые имеют пять (5) электронов в валентной зоне.

В этом случае примесями, которые включены в собственный полупроводник, являются такие элементы, как фосфор (P), сурьма (Sb) или мышьяк (As).

Присадки имеют дополнительный валентный электрон, который, не имея ковалентной связи для присоединения, автоматически может свободно перемещаться по кристаллической сети..

Здесь электрический ток циркулирует через материал благодаря избытку свободных электронов, обеспечиваемых легирующей добавкой. Поэтому полупроводники N-типа считаются донорами электронов..

Свойства полупроводников.

Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры.
При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники не проводят электрический ток, а с повышением температуры, их сопротивляемость току уменьшается.

Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.

Электропроводность полупроводника.

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.
Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).

Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов. Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи.

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

Механизм электрической проводимости

Проводимость таких материалов, как полупроводники, имеет иной характер, чем у обычных проводников. Главное условие возникновения тока в материалах – наличие достаточного количества свободных электронов. Кристаллическая структура полупроводниковых материалов характеризуется ковалентными химическими связями, когда каждый электрон ядра связан с двумя рядом стоящими атомами.

Электроны веществ участвуют в переносе заряда при получении некоторой энергии. Работа энергии для полупроводников имеет значение порядка единиц электрон-вольт (эВ). У проводников это значение меньше, у диэлектриков, соответственно, больше.

Важная особенность рассматриваемых материалов – они могут обладать особым типом проводимости – дырочной. В электронной оболочке атома в момент отрыва и ухода электрона образуется свободное место, которое принято именовать дыркой. Соответственно, дырка имеет положительный заряд, направление движения противоположно потоку электронов.

Все вещества характеризуются энергетическими зонами электронов оболочки атома. Таких зон три:

• Зона проводимости;
• Запрещенная зона;
• Зона валентности.

Название запрещенной зоны говорит о том, что электрон находиться в ней не может. Поэтому для возникновения тока электрон должен переместиться в зону проводимости из стабильной валентной зоны. Чем шире запрещенная зона, тем свойства материала приближаются к диэлектрикам.

При воздействии электрического поля в материалах начинается движение носителей заряда. В рассматриваемом случае это электроны и дырки. Зависимость между скоростью движения и величиной напряженности электрического поля при отсутствии влияния нагрева называется подвижностью. Рост числа взаимных столкновений является причиной того, что при увеличении концентрации подвижность падает

Какие типы существуют

Существует два вида проводимости. Электронная и дырочная. Ниже подробно рассказано о каждом из них.

Если добавить в полупроводник кремния пятивалентный атом мышьяка (As), то, посредством четырехвалентных электронов, мышьяк установит ковалентные связи c четырьмя соседними атомами кремния. Для пятого валентного электрона не останется пары, и он станет слабо связанным с атомом.

Введем в кристалл кремния трехвалентный атом индия (In). Индий установит ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами кремния. Для четвертого «соседа», у индия не хватает одного электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов кремния

Сфера применения полупроводника

Полупроводниковыми приборами называются устройства, действие которых основано на использовании свойств полупроводниковых материалов.

Различие между видами

На основе беспереходных полупроводников изготавливаются такие резисторы:

• Линейный резистор – удельное сопротивление практически не зависит от напряжения и тока. Является «элементом» интегральных микросхемах;
• Варистор – сопротивление зависит от приложенного напряжения;
• Терморезистор – сопротивление зависит от температуры. Различают два типа: термистор (с увеличением температуры сопротивление падает) и позисторы (с увеличением температуры сопротивление возрастает);
• Фоторезистор – сопротивление зависит от освещенности (излучения);
• Тензорезистор – сопротивление зависит от механических деформаций.

Принцип работы большинства таких приборов основывается на свойствах электронно-дырочного перехода p-n – перехода.

В заключении необходимо отметить, что проводники и полупроводники каждый день встречаются в жизни человека. Их достаточно часто применяют в радиотехнике и физике. Например, их можно встретить в классических транзисторах или варисторах для сопротивления. Ни один электроприбор не сможет функционировать без этих деталей.

Дырки в полупроводниках

При повышении температуры или интенсивности внешнего облучения происходит увеличение количества свободных электронов. Следовательно, увеличивается ток. Те атомы в веществе, которые потеряли электроны, становятся положительными ионами, они не перемещаются. С внешней стороны атома, с которого ушел электрон, остается дырка. В нее может встать другой электрон, который покинул свое место в атоме поблизости. В результате этого на внешней части у соседнего атома образуется дырка – он превращается в ион (положительный).

Если к полупроводнику приложить напряжение, то электроны начнут двигаться от одних атомов к соседним в определенном направлении. Дырки же начнут перемещаться во встречном направлении. Дырка – это положительно заряженная частица. Причем заряд у нее по модулю такой же, как у электрона. С помощью такого определения можно существенно упростить анализ всех процессов, которые протекают в полупроводниковом кристалле. Ток дырок (обозначается I Д) – это перемещение частиц в направлении, обратном движению электронов.

Полупроводниковые приборы

Сразу можно привести примеры полупроводниковых приборов – это транзисторы, тиристоры, диоды, и даже микросхемы. Конечно, это далеко не полный список. Чтобы изготовить полупроводниковый прибор, нужно использовать материалы, у которых проводимость дырочная или электронная. Чтобы получить такой материал, необходимо в идеально чистый полупроводник с концентрацией примесей менее 10-11% ввести добавку (ее называют легирующей примесью).

Те примеси, у которых валентность оказывается больше, чем у полупроводника, отдают свободные электроны. Эти примеси называются донорами. А вот те, у которых валентность меньше, чем у полупроводника, имеют свойство хватать и удерживать электроны. Их называют акцепторами. Для того чтобы получился полупроводник, который будет обладать лишь проводимостью электронного типа, в исходный материал достаточно ввести вещество, у которого валентность будет всего на единицу больше. Для примера полупроводников в физике школьного курса рассматривается германий – его валентность равна 4. В него добавляется донор – фосфор или сурьма, у них валентность равна пяти. Металлов-полупроводников немного, они практически не используются в технике.

При этом 4 электрона в каждом атоме осуществляют установку четырех парных (ковалентных) связей с германием. Пятый электрон не имеет такой связи, а значит, он в свободном состоянии. И если приложить к нему напряжение, он будет образовывать электронный ток.

Собственная проводимость полупроводника

Проводимость любого вещества определяется наличием и подвижностью носителей заряда в этом веществе и рассчитывается по специальным формулам. Практически во всех твердых веществах проводимость обеспечивается свободными электронами. Однако в полупроводниках она имеет свои особенности.

Рассмотрим кристалл типичного полупроводника — кремния.

Кремний четырехвалентен, а энергетически устойчивое число внешних валентных электронов — восемь. В итоге кремнию «энергетически выгодно» создать четыре двухэлектронных связи с соседними атомами.

Рис. 1. Строение полупроводника кремния.

При повышении температуры энергии некоторых электронов начинает хватать, чтобы разорвать связь. В кристалле появляются свободные отрицательные носители. Они обеспечивают проводимость, которая называется электронной.

Одновременно в кристаллической решетке оказываются связи с недостатком электронов. Такая связь называется дыркой. Поскольку электрон в составе связи при подлете к атому может продолжить движение по любой из четырех связей, то дырка в любой момент может заполниться электроном с образованием дырки в соседней связи. Такое событие может рассматриваться, как движение дырки. А поскольку дырка представляет собой недостаток электронов, она движется как положительно заряженный носитель. Такая проводимость называется дырочной.

Электронная и дырочная проводимость, появляющаяся в результате того, что электроны разрывают связи, называется собственной проводимостью проводника.

Примесная проводимость полупроводника

Собственная проводимость полупроводника относительно невелика. Для существенного увеличения проводимости имеет смысл специально создавать носители, которые бы всегда имелись в веществе полупроводника, даже без повышения температуры.

Такую проводимость можно создать, если ввести в кристалл четырехвалентного полупроводника пяти- или трехвалентные атомы.

При добавлении пятивалентных атомов мышьяка или сурьмы один электрон в таких атомах окажется вне ковалентных связей. В результате этот электрон будет очень легко покидать свой атом и свободно двигаться в кристалле.

Проводимость, обеспечиваемая пятивалентными примесями, называется донорной. Основными носителями в ней являются электроны. Полупроводник, имеющий донорную проводимость, называется проводником n-типа.

Рис. 2. Донорная примесь.

Если добавить в полупроводник трехвалентные атомы индия или галлия, то в одной из связей с этим атомом всегда будет незаполненное место — дырка.

Проводимость, обеспечиваемая трехвалетными примесями, называется акцепторной. Основными носителями в ней являются дырки. Полупроводник, имеющий акцепторную проводимость, называется проводником p-типа.

Рис. 3. Акцепторная примесь.

Собственная и примесная проводимость полупроводников обеспечиваются электронами и дырками (свободными местами в связях). Собственная проводимость обеспечиваемая носителями, возникающими при разрыве связей в кристалле. Примесная проводимость — это проводимость, обеспечиваемая носителями, возникающими в результате специальных пяти- и трехвалентных примесей. Проводимость, обеспечиваемая пятивалентными примесями, называется донорной, трехвалентными — акцепторной.

Собственные полупроводники, максимальная доля примеси в которых составляет 1 на 10 миллиардов, являются плохими проводниками.

Полупроводник N-типа легируется пятивалентной примесью, чтобы создать свободные электроны. Такой материал является проводящим. Электрон в нем является основным носителем.

Полупроводник P-типа, легированный трехвалентной примесью, имеет множество свободных дырок. Это носители положительного заряда. Материал P-типа является проводящим. Дырки в нем являются основными носителями.

Большинство полупроводников основаны на элементах из группы IVA периодической таблицы. Причем кремний является наиболее распространенным, германий устарел, а углерод (алмаз) в настоящее время исследуется.

Широко используются и составные полупроводники, такие как карбид кремния (группа IVA) и арсенид галлия (группа III-V).

PN–переход

Соединив вместе материалы P-типа и N-типа, на их стыке мы получим область электронно-дырочного перехода (PN -перехода). Происходящие внутри PN-перехода физические процессы между электронами дырками, легли в основу при

Существующие в природе вещества с точки зрения их электропроводности подразделяются на следующие типы:

• Электрические проводники.
• Изоляторы.
• Полупроводники.

В первых всегда имеется достаточное количество свободных (оторвавшихся от своих атомов) электронов, а во вторых материалах их совсем мало. Поэтому проводники хорошо переносят электрические заряды (пропускают ток); в диэлектриках же при обычных напряжениях этого не наблюдается.

Хорошо известен еще один вид материалов, в которых содержание свободных носителей зарядов в нормальных условиях совсем невелико. Поскольку они все же имеются в наличии в этих элементах – их назвали полупроводниками.

Обратите внимание: Под воздействием света, при нагревании или при добавлении небольшого количества примесей количество свободных частиц в этих материалах возрастает.

Вследствие этого они приобретают свойства проводников электричества.

нципа работы полупроводниковых приборов.

В зависимости от типа химической примеси, добавленной в структуру чистого полупроводникового вещества, в нем появляется либо избыток свободных электронов, либо, напротив – их начинает недоставать. На месте отсутствующего носителя образуется так называемая “дырка” в виде лишенного одного электрона атома, по сути представляющая собой положительный заряд.

Материалы, в которых вследствие диффузии появляется избыток дырок называются полупроводниками P типа (positiv), а те, что образуют при этом много электронов – N (negativ) типа.

Особый интерес представляет ситуация, когда из двух типов полупроводниковых материалов образуется контактная зона (так называемый “P-N переход”). В нормальном состоянии на границе двух материалов из-за взаимной диффузии дырок и электронов в противоположную структуру образуется непроводящий слой (порядок его образования – на фото ниже).

Но если к нему приложить прямое напряжение – оно вызовет перемещение электронных носителей в сторону р-области и такой же поток дырок в зону с избытком электронов.

Поскольку оба эти элемента при преодолении перехода переносят электрический заряд – в цепи начнет течь постоянный ток (фото ниже).

При подаче на переход напряжения противоположной полярности как электроны, так и дырки под воздействием ЭДС оттянутся от него. Поскольку собственных переносчиков электрического заряда в этой области не имеется – ток через него не потечет (или будет микроскопически мал).

Применение полупроводников на практике

Особенную важность этих элементов следует отметить в компьютерных технологиях. Почти не сомневаемся, что вас бы не интересовал вопрос о том, что такое полупроводники, если бы не желание самостоятельно собрать предмет с их использованием. Невозможно представить работу современных холодильников, телевизоров, компьютерных мониторов без полупроводников. Не обходятся без них и передовые автомобильные разработки. Также они применяются в авиа- и космической технике. Понимаете, что такое полупроводники, насколько они важны? Конечно, нельзя сказать, что это единственные незаменимые элементы для нашей цивилизации, но и недооценивать их тоже не стоит.

Применение полупроводников на практике обусловлено ещё и целым рядом факторов, среди которых и широкая распространённость материалов, из которых они изготавливаются, и легкость обработки и получения желаемого результата, и другие технические особенности, благодаря которым выбор ученых, разрабатывавших электронную технику, остановился на них.

Виды проводимости

В современной электронике практическое применение имеют следующие полупроводники: германий, кремний, селен, окись меди и др. Вокруг ядра атома германия, содержащего 32 протона, на четырех оболочках находятся 32 электрона; расположенные на наружной оболочке 4 валентных электрона и определяют электропроводность германия.

Вследствие теплового возбуждения происходит ионизация отдельных атомов кристаллической решетки, т. е. некоторые из валентных электронов становятся свободными, обусловливая электронную проводимость германия. В результате столкновений с ионами и атомами часть свободных электронов теряет энергию. Они возвращаются в валентную зону и занимают свое место в парноэлектронных связях. Одновременно с этим появляются новые свободные электроны. Наконец, устанавливается динамическое равновесие между освобождающимися электронами и возвращающимися в валентную зону.

В полупроводнике наряду с электроном имеет место так называемая дырочная проводимость полупроводника. После отрыва электрона от атома остается свободное место, которое называют дыркой. Валентный электрон соседнего нейтрального атома может перейти на притягивающий его атом с дыркой и заполнить освободившуюся связь. При этом дырка как бы «переходит» к соседнему атому. Если к полупроводнику не приложено внешнее электрическое поле, то дырки, так же как и свободные электроны зоны проводимости, перемещаются беспорядочно. Если полупроводник поместить в электрическое поле, то движение дырок становится направленным.

Это направленное движение дырок от одного атома к другому соответствует движению положительных зарядов через полупроводник, а следовательно, и протеканию через полупроводник тока в направлении движения дырок.

Проводимость полупроводника, вызванная движением дырок, называется дырочной или проводимостью типа р (от латинского слова positive — Положительный), в отличие от проводимости типа n (от латинского слова negative — отрицательный), обусловленной движением электронов.

Токи, вызванные электронной и дырочной проводимостями, совпадают по направлению и поэтому

Iобщ = In + Ip. (87)

где In — электронный ток; Ip — дырочный ток.

Проводимость полупроводника, возникающая в полупроводнике вследствие нарушения валентных связей, называется собственной проводимостью.

Таким образом, проводимость полупроводника определяется как движением электронов в зоне проводимости, так и движением электронов в валентной зоне, однако принято считать, что в валентной зоне перемещаются не электроны, а дырки.

Чистые полупроводники редко применяются в полупроводниковой технике. Обычно используются примесные полупроводники. Введение в полупроводник атомов соответствующей примеси способствует образованию дополнительных носителей тока, что приводит к повышению электропроводности иногда в десятки миллионов раз. В чистом полупроводнике «поставщиком» электронов в зону проводимости может быть валентная зона. Введение примесей в полупроводник должно способствовать переходу электронов в зону проводимости.

Существуют два вида примесей. В примесях первого вида энергетические уровни электронов примеси располагаются в запрещенной зоне полупроводника вблизи зоны проводимости. Поэтому атомы примеси, являясь поставщиками электронов в зону проводимости, легко отдают в нее электроны, поскольку электронам при этом следует сробщить меньшую энергию ∆Е1, а не ∆Е, как в полупроводнике без примеси. Примесные уровни при температуре выше абсолютного нуля отдают свои электроны в зону проводимости тем интенсивнее, чем выше температура полупроводника. Примесные уровни такого вида называются донорными уровнями, а сами примеси — донорами (donarе — дарить, лат.).

Примесные уровни второго вида называются акцепторными, а сами примеси — акцепторами. Акцепторные уровни располагаются около валентной зоны. При абсолютном нуле температуры акцепторные уровни свободны, т. е. не заполнены. Поэтому при температуре, отличной от абсолютного нуля, на такие уровни могут перейти электроны из валентной зоны, и так как ∆Е2 < ∆Е, то число этих электронов будет больше, чем количество электронов, переходящих в зону проводимости. Уход электронов из валентной зоны дает возможность оставшимся здесь электронам, при наличии постороннего электрического поля, принять участие в проводимости в пределах этой зоны. При этом, как указывалось выше, дырки будут двигаться в направлении действия электрического поля.

Таким образом, электропроводность полупроводника можно увеличить путем введения донорной примеси (за счет возрастания электронов в зоне проводимости) либо путем введения акцепторной примеси (за счет возрастания числа дырок в валентной зоне).

В настоящее время из полупроводниковых элементов наибольшее применение нашли германий и кремний. Германий является очень редким элементом: содержание его в земной коре составляет менее 7·10-4%. Исходным продуктом для получения чистого германия является двуокись германия (GеO2), восстанавливаемая в водороде.
Кремний, наоборот, — один из самых распространенных элементов в природе и запасы его неисчерпаемы. Однако получение чистого кремния затруднено из-за высокой температуры плавления (более 1400° С) и большой химической активности в жидком состоянии.

При температуре, отличающейся от абсолютного нуля, этот электрон может покинуть атом примеси и стать свободным, причем возникновение свободных электронов не связано с появлением дырки. Для ионизации атома чистого германия необходима энергия 0,72 эв, тогда как для ионизации примесного атома требуется энергия 0,015 эв. Поэтому уже при комнатной температуре все свободные электроны донорной примеси находятся в зоне проводимости. Германий с донорной примесью называется германием n-типа. Если к нему приложить электрическое поле, то в полупроводнике появится ток.

При добавлении в четырехвалентный германий трехвалентного индия или галлия атом примеси, заняв место атома германия в кристаллической решетке, не будет иметь достаточного числа электронов для образования ковалентной связи (рис. 72). При температуре выше абсолютного нуля один из валентных электронов соседних атомов, получив достаточную энергию, заполнит недостающую связь. Примесный атом становится отрицательным ионом, а в том месте, откуда ушел электрон, образуется дырка. При этом свободный электрон не появляется, количество свободных электронов в зоне проводимости остается прежним. Для того чтобы электрон от атома германия перешел к атому примеси, ему надо сообщить энергию порядка 0,1 эв, в то время как для того, чтобы электрону от примесного атома перейти в зону проводимости, надо затратить энергию в 0,72 эв. При обычной комнатной температуре большинство электронов германия переходит к примесным атомам. Германий с акцепторной примесью называется германием р-типа.

В германии n-типа много свободных электронов, они рекомбинируют с дырками и уменьшают их количество; аналогично в германии р-типа много дырок, они рекомбинируют с электронами и уменьшают их количество.

При значительной концентрации примеси проводимость полупроводника определяется основными примесными носителями. Так, в германии n-типа основными носителями являются электроны, неосновными — дырки, а в германии р-типа основными носителями являются дырки, а неосновными — электроны.

Примесные полупроводники электрически нейтральны и обладают проводимостью, определяемой видом примеси.

Интегральные схемы

На основе полупроводниковых кристаллов создаются интегральные схемы, в которых сотни тысяч элементов соединяются в единую электрическую цепь.

Полупроводники используются при создании:

фоторезисторов, которые находят применение в автоматических выключателях света, индикаторах на ИСЗ;

термисторах, используемых для измерения температуры, в пожарной сигнализации, реле времени;

фотоэлементах, используемых в солнечных батареях;

фотодиодах, используемых для измерения интенсивности света;

фототранзисторах, используемых в различных датчиках;

светодиодах, используемых в качестве источника инфракрасного излучения, знаковых индикаторах, полупроводниковых лазерах.

Подведем итог

Полупроводники по электропроводности занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. К полупроводникам относится большая группа веществ (Si, Ge и др.). В отличие от металлов с ростом температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается.

Проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов и дырок. В чистом кристалле электроны и дырки присутствуют в равном количестве. Такой полупроводник обладает собственной проводимостью.

При наличии примесей в полупроводниках возникает примесная проводимость. При добавлении донорной примеси с валентностью на единицу больше, чем у полупроводника, один электрон остается свободным. Получается полупроводник n-типа.

Если же добавить акцепторную примесь с валентностью на единицу меньше, чем у полупроводника, то в таком полупроводнике концентрация дырок превышает концентрацию электронов. Получается полупроводник p-типа.

Область контакта полупроводников двух типов называется p-n-переходом. Важным свойством p-n-перехода является его односторонняя проводимость. Данное свойство используется в работе полупроводникового диода.

Полупроводники используются при создании транзисторов, термисторов, светодиодов, фотоэлементов, интегральных схем.

В настоящее время полупроводниковые приборы находят широкое применение в радиотехнике, автоматике, вычислительной технике, телемеханике.