Что такое дырочная проводимость полупроводников
Дырочная проводимость наблюдается у полупроводников и означает перенос заряда за счет перемещения под действием электрического поля дырок — мест в валентной зоне, не занятых электронами.
Зоны в твердых телах
В соответствии с зонной теорией спектр энергий электронов в твердом теле является дискретным и состоит из определенного количества зон, внутри которых энергетические уровни расположены очень близко друг к другу. Одна из них — валентная является самой верхней из занятых носителями при температуре, равной 0° К. Вторая называется зоной проводимости. Попадая в нее, электроны становятся свободными. Именно эти две зоны определяют электропроводность вещества.
По электрофизическим свойствам все твердые тела можно разделить на три класса:
- проводники;
- полупроводники;
- диэлектрики.
У проводников зоны (валентная и проводимости) перекрываются, вследствие чего электроны, получая минимальную порцию энергии, могут переходить из одной в другую, освобождаясь от связи с ядром атома. Запрещенная зона полупроводников имеет ширину до 4 эВ. Чтобы в теле появились свободные носители заряда, требуется передать им бо́льшую, чем эта величина, энергию.
В диэлектриках запрещенная зона еще шире, поэтому при нормальных условиях в зоне проводимости практически не бывает свободных носителей, что означает практически полное отсутствие электропроводности.
Собственная проводимость
Для иллюстрации появления электрического тока в полупроводнике можно взять такое вещество как кремний, внешняя оболочка атома которого заполнена частично и содержит 4 электрона. В кристалле они образуют четыре ковалентные межатомные связи. В каждой из них участвует два носителя заряда — по одному от двух атомов-соседей.
В чистом кремнии при Т = 0° К все электроны связаны с атомами. В зоне проводимости они отсутствуют. Однако под воздействием каких-либо внешних факторов, например тепла, часть носителей заряда получает энергию, достаточную для перехода в зону проводимости. Атом при этом приобретает положительный заряд, а освободившееся место именуется дыркой. Она может перемещаться за счет того, что валентный электрон одного из соседних атомов занимает ее, образовав при этом новую дырку в связи своего атома. Количество дырок равно количеству свободных электронов. Процесс возникновения свободных носителей заряда называется генерацией, обратный — рекомбинацией.
Как электроны в зоне проводимости, так и дырки в валентной совершают хаотическое движение, аналогичное броуновскому в газах. Под воздействием электрического поля беспорядочное тепловое движение становится направленным — возникает ток. Такой тип проводимости является собственным.
Примесные полупроводники
Чтобы полупроводникам придать необходимые электрические свойства, в них вводят дополнительные вещества — примеси. Для таких полупроводников характерна примесная проводимость. Она может быть электронной или дырочной.
Пусть в кристалл кремния внедрен атом мышьяка, имеющий 5 валентных электронов. На создание связей с ближайшими атомами требуется только 4, поэтому пятый не будет в них задействован. Он слабее связан с ядром и легко может стать свободным. При понижении температуры ниже определенного уровня количество электронов, освободившихся из узлов решетки примеси, будет превалировать над тепловыми. Соответственно дырок, образовавшихся в результате воздействия тепла, будет меньше. В этом случае электроны называются основными носителями заряда, а материал — полупроводником n-типа, имеющим донорную примесь и обладающим электронной проводимостью.
Противоположная ситуация возникает при наличии примеси вещества с меньшим, чем 4 числом валентных электронов, например, алюминия, имеющего их 3. В этом случае одна межатомная связь не будет сформирована полностью — появится дырка. На вакантное место может попасть электрон от одного из ближайших атомов, в результате чего возникнет отрицательный ион и дырка, способная принять участие в создании электрического тока. В таком случае примесь называется акцепторной, полупроводник — дырочным или р-типа, а проводимость — дырочной.
Применение
Дырочная и электронная проводимость лежат в основе работы многих типов приборов — основополагающих элементов практически любой электронной или интегральной схемы. Использование физических процессов, протекающих в области p-n перехода, который возникает на стыке двух материалов с разными типами проводимости, дает возможность преобразовывать различные виды сигналов — усиливать или выпрямлять их.
На свойствах p-n-перехода, основой которого является электронная и дырочная проводимость, строится принцип работы многих элементов электронных схем:
- диоды — выпрямительные, туннельные, Шоттки, стабилитроны, стабисторы и пр.;
- транзисторы — полевые и биполярные;
- тиристоры;
- симисторы;
- микросхемы различной степени интеграции.
Следует отметить, что полупроводников с чисто дырочной или чисто электронной проводимостью не существует. У любого полупроводника есть и та, и та другая проводимость, но одна из них преобладает.
Загрузка...
