Особенности электропроводимости полупроводников

Группу материалов, чья способность сопротивляться прохождению электрического тока занимает промежуточное состояние между проводниками и диэлектриками, называют полупроводниками. Их электропроводимость способна изменяться под действием различных факторов: света, давления, температуры, что послужило широкому использованию полупроводников в качестве основы комплектующих для электротехники и электроники.

Механизм проводимости полупроводников

Кристалл одного из распространенных полупроводников кремния имеет на внешней атомной оболочке 4 валентных электрона. В спокойном состоянии связи с 4 ближними атомами удерживают электроны на стабильных орбитах. При энергетическом воздействии теплом, светом, радиацией или давлением валентный электрон может получить достаточный импульс энергии на разрыв связей и стать свободным.

В полупроводниках на месте покинувшего орбиту электрона образуется избыточный плюс — подвижная область, которая называется дыркой. Вследствие разрушения валентных связей возникает электронная проводимость полупроводников, обусловленная движением свободных электронов.  Проводимость, образованную появившимися на их месте дырками, называют дырочной проводимостью.

В соответствии с зонной теорией электропроводимости твердые тела имеют три области: валентную, запретную и зону проводимости. У проводников валентная зона и зона проводимости объединены, поэтому у них свободных электронов много. У диэлектриков запретная зона столь широка, что преодолеть ее без разрушения материала невозможно. Полупроводники обладают довольно узкой запретной зоной, поэтому при достаточном энергетическом импульсе некоторое количество электронов ее преодолевают.

Особенности полупроводников

Полупроводниковые материалы могут быть по структуре кристаллическими, аморфными и жидкими. По электропроводности и удельному сопротивлению они занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками.

Основная особенность полупроводников — изменение электрофизических свойств при нагреве, облучении светом и радиацией. Внешнее воздействие способствует увеличению проводимости полупроводников за счет образования свободных носителей заряда. Электроны, получившие дополнительный заряд энергии, переходят в зону проводимости. Освободившиеся от электронов энергетические уровни валентной зоны занимают положительные заряды — дырки.

Когда потерявшие часть энергии в зоне проводимости электроны возвращаются в валентную область, они занимают места дырок и те исчезают. В результате происходит рекомбинация атома.

Беспримесные полупроводники

Электропроводность полупроводников обусловлена наличием или отсутствием примесей в структуре вещества. Проводимость чистых полупроводников зависит от величины энергетического воздействия на них. С точки зрения зонной теории дырки появляются в валентной зоне при переходе электронов в зону проводимости. Дырки, перемещаясь в валентной зоне, участвуют в переносе электрического заряда. В чистом полупроводнике при определенных условиях образуется одинаковое количество дырок и электронов. Эти типы носителей заряда участвуют в проводимости, так сказать, на равных правах. Поэтому электрическая проводимость беспримесных полупроводников называется собственной.

Парное образование электрон-дырка устанавливает одинаковую скорость возникновения и рекомбинации носителей заряда. Запрещенная зона в беспримесных полупроводниках делится поровну.

Удельная проводимость беспримесного полупроводника рассчитывается по формуле:

Примесная проводимость

На электропроводность полупроводников влияют за счет использования различных примесей. При добавлении веществ, легко отдающих электроны, создаются донорские полупроводники. У них количество свободных электронов в зоне проводимости заметно выше, а донорский уровень смещен ближе к ней. Для ухода свободных электронов с донорского уровня требуется меньше энергии.

Для создания донорского полупроводника необходимо, чтобы валентность примеси была выше, чем основного вещества. Например, примесь в виде 5-валентного мышьяка добавляется к 4-х валентному кремнию. Лишний электрон, не удерживаемый в кристалле мышьяка, покидает запрещенную зону и становится основным носителем заряда. При этом дырки являются не основными носителями. Такая проводимость полупроводника называется электронной или проводимостью n-типа.

Если примесь имеет валентность ниже, чем основное вещество, она легко отбирает у его атома электрон и в кристалле образуется дырка. Например, трехвалентный индий оставляет без электрона 4-х валентный кремний в кристаллической решетке. Примеси этого типа называются акцепторными.

Акцепторный уровень в запрещенной зоне смещен к валентной области. Для свободного электрона найти ковалентную связь в полупроводнике легче, чем выйти в зону проводимости. Механизм проводимости обусловлен поочередным замещением электроном положительно заряженной дырки. Кристалл, откуда вышел электрон, становится следующей дыркой.

В полупроводнике образуется избыточное количество дырок. Они будут являться основными носителями зарядов, а электроны — дополнительными.

Вещества с акцепторными примесями являются полупроводниками p-типа.

С ростом температуры разность между количеством дырок и свободных электронов в донорском и акцепторном полупроводнике все более и более нивелируется. Оба типа полупроводников из-за малого количества примеси переходят сначала к беспримесному варианту полупроводника, затем становятся проводниками.

Понятие об электронно-дырочном (p-n) переходе

Место контакта полупроводников n-типа и p-типа называется электронно-дырочным переходом. В этой области при определенных условиях осуществляется обмен электронов и дырок между полупроводниками.

Условием протекания тока через границу раздела полупроводников является прямое подключение батареи. Плюсовая клемма подключается к полупроводнику p-типа, а минус, соответственно, к n-типа. Сопротивление перехода резко падает и происходит интенсивный обмен основными носителями заряда на границе. В схеме течет ток, лампа горит.

При обратном подключении батареи основные носители заряда отходят от границы раздела полупроводников. На p-n-переходе образуется обедненный электронами и дырками широкий слой, который запирает границу. В результате ток не течет, лампа не горит.

Односторонняя проводимость p-n-перехода — основное качество полупроводников, которое обусловило их использование в электронике и электротехнике.

Сфера применения

Основное свойство полупроводников — управляемая электропроводность. Она зависит от структуры и химического состава вещества, типа и количества примесей, технологии изготовления изделия.

Комбинируя эти зависимости, можно радикально изменять проводимость полупроводников и создавать такие их разновидности, которые реагируют на свет, изменение температуры, магнитного поля, давления с высокой степенью точности. Огромное количество разнообразных термисторов, варисторов, фоторезисторов, датчиков давления (Холла) обеспечивают информацией системы управления и автоматики.

Получение и управление односторонней проводимостью полупроводников фактически создало современную электронику и вычислительную технику.