Что такое электроны и дырки в полупроводниках
Содержание
Электрон — это самая лёгкая и стабильная элементарная частица, имеющая отрицательный заряд. Электроны вместе с тяжёлыми частицами — протонами и нейтронами образуют атомы всех веществ. Постоянные свойства (неизменность) атомов обеспечиваются сильным электростатическим притяжением между электроном и ядром. Когда электрон покидает свою орбиту, на его месте образуется дырка. Ее считают носителем положительного заряда, идентичного элементарному заряду, в полупроводниках.
История открытия электрона
Физический механизм появления тока в металлических проводниках был разгадан и обнародован в начале XIX века гениальным французским исследователем А. М. Ампером (1775-1836). Согласно его теории, ток в металлах образуется в результате воздействия приложенного электрического поля на подвижные заряженные частицы, которые находятся внутри вещества. Но что это за частицы, какова их природа и параметры (заряд и масса), было неизвестно вплоть до начала ХХ века.
Только в 1897 г. английскому физику Дж. Дж. Томсону (1856-1940), изучавшему свойства катодных лучей в газовом разряде, удалось доказать существование элементарной частицы, имеющей минимальный отрицательный заряд. Термин «электрон» для такой частицы был предложен англичанином Д. Стони в 1881 г. Кроме факта ее существования, Томсону удалось измерить еще отношение заряда электрона e к его массе m. В системе СИ оно равно e/m = 1.759*1011 К/кг.
В 1910 г. американцу Р. Милликену и российскому физику А. Иоффе почти одновременно удалось провести очень похожие эксперименты, по результатам которых они сделали вывод, что заряд электрона равен 1.6*10-19 Кл.
Несмотря на одинаковые результаты, полученные почти синхронно и независимо друг от друга, Нобелевская премия за эту работу была присуждена только одному Р. Милликену.
Свойства полупроводников
По результатам исследований Ампера и его коллег все твёрдые вещества, исходя из их электропроводных свойств, долгое время относили к двум видам — либо к проводникам, либо к диэлектрикам (изоляторам), которые фактически не пропускали электрический ток. Только в 1833 г. выдающийся физик-экспериментатор М. Фарадей, исследуя зависимость проводимости сульфида серебра (Ag2S) от температуры, обратил внимание на тот факт, что с ростом температуры проводимость заметно возрастала, хотя у всех исследованных ранее металлов она уменьшалась.
Через некоторое время Фарадей нашёл ещё пять веществ с подобными параметрами. Усилиями других учёных количество подобных веществ стало непрерывно пополняться, что позволило выделить их в отдельный класс, занимающий серединное место между проводниками и диэлектриками. Название полупроводник предложил в 1914 г. немецкий учёный И. Кёнигсбергер, занимавшийся электрохимическими исследованиями.
Теперь материалы в физике классифицируются в зависимости от их удельной электропроводности или удельного сопротивления, которые являются взаимообратными величинами.
Носители тока в полупроводниках
Электрический ток, представляющий собой однонаправленное перемещение заряженных частиц, формируют в основном свободные электроны, которые под действием внешних и внутренних факторов (температура, свет, давление) покидают внешние (валентные) атомные орбиты и «блуждают» между узлов кристаллической решётки. Такой механизм хорошо объясняет электропроводные свойства веществ, относящихся к металлам, но «не работает» при изучении аналогичных свойств большого перечня материалов, названных полупроводниками.
Для описания движения электронов в полупроводниках на основе квантовой механики было введено вспомогательное понятие электронной дырки или просто «дырка» (англ. hole), которая является квазичастицей, имеет положительный заряд, равный заряду электрона. Данная теория позволяет физикам упростить моделирование квантовых объектов. Например, аналогичный подход был использован для научного изучения колебаний атомов в твёрдом теле с помощью ввода квазичастицы фонон ( англ. phonon).
Дырка образуется в результате разрушения ковалентной связи электрона с ядром атома. То есть, дырка — это незаполненная межатомная связь. При образовании таких пустых мест возникает дополнительная возможность для движения заряда. Ведь место появившейся дырки может занять свободный электрон, оторвавшийся от соседнего атома. В свою очередь, место образовавшейся там дырки займет другой электрон. При этом возникает как бы перемещение дырок. Это явление расценивают как движение положительного заряда, которое происходит по направлению вектора напряженности, а электроны перемещаются против этого вектора.
Следовательно, в полупроводнике есть носители заряда двух типов — дырки и электроны, а его общая проводимость представляет собой сумму электронной и дырочной проводимости.
Для понимания физических явлений, происходящих в полупроводниках при воздействии на них электрического и магнитного полей, температуры, давления и излучений с разными длинами волн, потребовалось привлечение аппарата квантовой механики, которая стремительно развивалась в начале ХХ века, благодаря усилиям физиков-теоретиков. Одним из результатов этих работ стала зонная теория (ЗТ) твёрдого тела.
Зонная теория
Огромное количество экспериментальных данных, полученных к концу 20-х годов ХХ века, не имели внятной физической, базовой трактовки, которая бы служила основой для понимания удивительных свойств полупроводников. Швейцарский физик Ф. Блох и его французский коллега Л. Бриллюэн почти одновременно, используя методы квантовой механики, предложили теоретическую модель движения электронов в твёрдых телах.
Квантовая модель атома, созданная датским физиком-теоретиком Нильсом Бором (1885-1962), позволила рассчитывать энергетические уровни электронов в водородоподобных и более тяжёлых атомах. Один из постулатов, введённых Бором, утверждал, что электрон в атоме может располагаться только на орбитах, имеющих дискретные величины энергии (разрешённая орбиталь).
Кристаллы состоят из гигантского количества атомов, расположенных на близком расстоянии друг от друга. Например, постоянная решётки в кремнии составляет 0.543 нм = 0.543*10-9 м. Это приводит к возможности соседним атомам обмениваться электронами с близких орбиталей. Таким образом, и качественно, и теоретически Блох и Бриллюэн обосновали появление полноценных энергетических зон, где электроны «не связаны обязательствами» перед постулатами Бора, а могут иметь любую энергию в пределах зоны:
- Валентные электроны образовывают общую структуру для всего кристалла. Общее число орбиталей становится гигантским, а разница энергий электронов на соседних орбитах уменьшается, переходя в квазинепрерывный спектр.
- Происходит расщепление энергетических уровней до слияния в энергетические зоны (валентную зона и зона проводимости). В полупроводниках и диэлектриках между валентной зоной и зоной проводимости появляется запрещённая зона ΔЕ.
Величина ΔЕ — ключевая величина в ЗТ. Именно она является главным фактором, определяющим электрические свойства твёрдых тел. В соответствии с величиной запрещённой зоны классификация твёрдых тел по степени электропроводности выглядит так:
- Проводники (металлы) — ΔЕ = 0.
- Полупроводники — 0 < ΔЕ < 3.0 эВ.
- Диэлектрики — ΔЕ > 3.0 эВ.
Чтобы появилась проводимость в полупроводнике, следует сделать так, чтобы электрон, находящийся в валентной зоне, приобрел энергию, позволяющую преодолеть ему запрещенную зону.
Зачем понадобились дырки
И в валентной, и в зоне проводимости присутствуют только электроны, но оказалось, что поведение электрона в практически заполненной валентной зоне удобно (и «наглядно») описывается представлением о некой гипотетической частице (квазичастице) с положительным зарядом, равным заряду электрона. Дело в том, что двигаясь в пределах валентной зоны — перескакивая между валентными связями соседних атомов, электрон оставляет за собой свободные места. Советский учёный Я. И. Френкель, внесший большой вклад в изучение тех физических явлений, на основании которых возникает в твёрдых телах и конденсированных средах электрический ток, в 1933 г. предложил назвать новую квазичастицу дыркой.
Следует отметить, что такое понятие как дырка, несмотря на некоторую искусственность и квазичастичность, нашло своё отражение в нормативном документе — ГОСТ 22622-77 «Материалы полупроводниковые. Термины и определения основных электрофизических параметров». Официальное определение звучит так: «Дырка — это незаполненная валентная связь, которая проявляет себя как положительный заряд, численно равный заряду электрона». Физической аналогией дырок могут служить пузырьки воздуха, которые образуются в сосуде, заполненном водой.
Классификация полупроводников
Основное разделение полупроводников на разные типы осуществляется на основании вида проводимости и механизма, благодаря которому возникают электроны и дырки в кристалле.
Собственная проводимость
Собственной проводимостью обладают только абсолютно чистые, бездефектные полупроводники, в которых дополнительные дырки и электроны могут появиться лишь при воздействии температуры или под влиянием внешнего излучения. При этом статистика электронов и дырок в полупроводниках такова, что всегда существует равенство их концентраций.
Одинаковым по значению в полупроводнике является ток, переносимый свободными электронами iэ, и ток, переносимый дырками iд, если полупроводник собственный, то есть, имеет собственную проводимость.
Примесная проводимость
Технология, по которой создается полупроводниковый материал с собственной проводимостью, является очень сложной задачей, требующей абсолютной чистоты исходных образцов от посторонних примесей и дефектов. В процессе производства элементов полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, фотоэлементов) выяснилось, что гораздо эффективнее для этих целей подходят кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы создаются посредством намеренного внедрения специально подобранных примесей в исходные, чистые полупроводники.
Электрическая проводимость полупроводников, легированных примесями, существенно превосходит собственную проводимость, но полностью зависит от количества и типа внедрённых примесей. В чистых полупроводниках концентрация электронов мала. Например, в германии их численность составляет 3.0*1013 см-3 при нормальной температуре. Ввод примеси с большей концентрацией приводит к тому, что проводимость полностью определяется внедрённой примесью.
Примеси делятся на два типа:
- Донорные — примеси, встраивающиеся в решётку кристалла, но при этом отдающие лишний (незадействованный в ковалентных связях) электрон в «свободное плавание». Например, таковым является пятивалентный мышьяк As, внедрённый в кремний. На выходе получается полупроводник n- типа с доминирующей электронной проводимостью.
- Акцепторные — примеси, имеющие недостаток ковалентных связей. Они возмещаются с помощью захвата электронов из «родного» полупроводника. При этом возрастает количество подвижных дырок и в итоге получается дырочный полупроводник p-типа. Пример — трёхвалентный индий, внедрённый в кремний.
Использование акцепторной примеси
P-N-переход — основа полупроводниковых приборов
С помощью различных технологий легирования физики научились формировать в одном кристалле структуры, названные p-n-переходом. Он представляет собой зону контакта двух материалов. В p-n-переходе полупроводниковая электронная проводимость меняется на дырочную или наоборот. Это происходит благодаря взаимной диффузии электронов и дырок.
На его базе p-n-перехода спроектированы разнообразные элементы микроэлектроники, давшие мощный импульс развитию электротехники, радиоэлектроники, компьютерной техники, оптоэлектроники, лазеров. Возможности полупроводников далеки от исчерпания, прогресс продолжается.
Загрузка...
