Что является носителем заряда в полупроводниках
Содержание
Проводники и диэлектрики свое название получили вследствие того, что первые электрический ток пропускают через себя без проблем, вторые его не пропускают совсем. Существует еще одна категория материалов, которая располагается между диэлектриками и проводниками — это полупроводники. Их отличительная особенность — пропускать электрический ток через себя при определенных условиях. Самое важное из них — температура. Если она низкая, ток через полупроводниковый материал не пройдет. Температурный режим начинает повышаться, токопроводимость увеличивается. Это все происходит из-за того, что связь электронов с ядром атома в структурной решетке становится слабой. Они отрываются от ядра и начинают двигаться. Так появляются свободные носители отрицательного электрического заряда в полупроводниках.
Как появляется ток
Прямой ток в проводниках образуется потоком электронов, движущихся в одну сторону. Электрон — это носитель элементарного отрицательного электрического заряда и именно он в проводниках является основным носителем тока.
В полупроводниках появление тока происходит несколько иначе. При воздействии температуры и электрического поля создаются условия для ослабевания валентных связей у полупроводникового материала. Их у него четыре — в каждой связи по два электрона, каждый из которых принадлежит двум соседним атомам. При ослабевании связи один из них отрывается. На его месте образуется вакансия, которая называется дыркой. В структуре атома она тут же становится положительно заряженной микрочастицей.
В соседних атомах все происходит по тому же сценарию: электроны отрываются, вместо них образуются дырки. При этом оторвавшиеся частицы соседних атомов занимают места своих собратьев. Например, слева расположен отрицательный заряд, справа соответственно положительный. Оторвавшиеся отрицательно заряженные частицы будут двигаться к плюсу, дырки, соответственно, к минусу.
Получается два потока заряженных микрочастиц, движущихся навстречу друг другу, то есть, в противоположные стороны. При этом электроны — это носители отрицательного заряда. Дырки ведут себя как положительно заряженные частицы. Отсюда можно сделать вывод, что ток в полупроводниковых структурах образуют основные и неосновные носители заряда. Поэтому он представляет собой сумму двух разных потоков: дырочного и электронного. Такую проводимость физики называют электронно-дырочной или собственной. Но есть еще и другая проводимость, которая называется примесной.
Особенности примесной проводимости
Эта категория проводимости создается, когда в полупроводник добавляется другой материал. У последнего валентных связей должно быть или три, или пять. Например, когда добавляется трехвалентный компонент, структура общего материала становится такой, что одна связь у полупроводника остается свободной. Именно электрон этой связи отрывается, потому что ни с чем не связан. Но образовать поток он не может, поскольку тут же захватывается атомом примесного компонента, который превращается в отрицательно заряженный ион. В некоторых полупроводниках ионы также могут стать носителем заряда, но в основном ионную проводимость имеют электролиты.
Атом, от которого оторвался электрон, становится положительно заряженным, то есть некомпенсированным. Для компенсации ему нужна отрицательно заряженная частица, и она приходит с соседнего атома. На месте оторвавшегося электрона образуется дырка. Это происходит по всей структуре материала. Вакансий становится все больше и больше, при этом дырки не движутся в одном направлении, их движения хаотичны. Но электронов в полупроводнике с трехвалентной примесью все равно больше, поскольку это не только оторвавшиеся частицы, но и те, которые закрывают собой вакансии. Именно поэтому снижается удельное сопротивление полупроводникового материала. Такую проводимость называют дырочной, хотя носителем заряда все равно выступает электрон.
Если в полупроводниковую структуру добавить пятивалентный компонент, то все происходит наоборот. Свободные носители заряда — электроны оказываются у примеси. Именно они отрываются и уходят в поток, поскольку ничем с атомом полупроводника не связаны. Поток получается направленным в одну сторону — к положительному заряду. В этом случае отрицательных частиц тоже в разы больше, чем вакансий, отчего сопротивление материала сильно снижается, и ток свободно проходит сквозь полупроводник. При использовании пятивалентной примеси основные носители заряда — это электроны, поэтому проводимость называют электронной.
Преимущества использования примеси
Если в полупроводниковые материалы добавляется примесь, то в них в зависимости от используемого компонента появляется или электронный ток, или дырочный. То есть, два отдельных, а не как в случае с собственной проводимостью — электронно-дырочный. Но здесь надо понять два момента:
- Электронная проводимость — это поток свободных отрицательно заряженных микрочастиц.
- Дырочная проводимость — это поток отрицательно заряженных частиц, но связанных. Здесь имеется в виду связь с ядром атома полупроводникового материала.
Примеси, которые являются источником электронов, называют донорными. Основные носители заряда при использовании такой примеси — электроны. Поэтому полупроводники имеют электронную проводимость и являются материалами n-типа. Название произошло от английского слова negative, которое переводится как отрицательный.
Примеси, которые забирают электроны из валентной зоны полупроводниковых веществ, называют акцепторными. Основные носители заряда при использовании акцепторной примеси — дырки. Следовательно, полупроводник имеет дырочную проводимость и относится к материалам р-типа — от английского positive, то есть, положительный.
Полупроводники отличаются тем, что в них всегда присутствуют носители зарядов двух типов — электроны и дырки. Основными считаются те, концентрация которых больше. В полупроводнике n-типа такими являются электроны, а р-типа — дырки. При отсутствии электрического поля и электроны, и дырки совершают хаотические колебания. Под воздействием поля они начинают двигаться упорядоченно, в результате чего появляется ток.
Загрузка...
