Собственная проводимость

Собственная проводимостьКак известно из курса химии, взаимодействие между атомами посредст­вом электронных пар называется ковалентной связью. Для примера рассмотрим кристаллическую решетку кремния. При низких температурах практически все валентные электроны прочно связаны с атомами и поэтому не могут быть электронами проводимости. Но при внешнем воздействии на кристалл – освещении его или нагревании — некоторые электроны приобретают энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Такие электроны становятся свободными электронами проводимости.

У того aтома, от которого внеш­ним воздействием электрон был переведен в свободное состояние, появилось вакантное место с недостающим электроном. Его называют «дыркой». «Дырка» ведет себя как положительно заряженная частица. Какой-либо из электронов, соседних атомов может занять вакантное место, тогда «дырка» образуется в со­седнем атоме. Такой процесс происходит многократно. Поэтому «дырка» блуждает по кристаллу.

При создании в полупровод­нике электрического поля «дырки» движутся преимущественно в том на­правлении, куда двигались бы поло­жительные заряды, а электроны — в противоположном направлении.

Итак, электрический ток в полу­проводнике создается электронами проводимости и «дырками», т. е. полупроводники обладают одновремен­но и электронной, и дырочной проводимостью. Не следует забывать, что, говоря о движении «дырок», имеют в виду происходящее в действительности коллективное (эстафетное) перемещение от одного атома к друго­му электронов, но не свободных, а тех, которые осуществляют ковалентную связь. Проводимость, обуслов­ленная движением свободных элект­ронов и «дырок» в чистом полупро­водниковом кристалле (без примесей), называется собственной прово­димостью полупроводников.

При повышении температуры по­лупроводника число электронов про­водимости, следовательно, и число «дырок» резко возрастает. Этим и объясняется уменьшение сопротив­ления полупроводника с повышением температуры.

К полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не бо­лее 1,5 - 2 эВ. Кристаллы с больши­ми значениями энергии связи элект­ронов с атомами относят к диэлект­рикам.

Донорные и акцепторные приме­си.

Свойства полупроводников силь­но зависят от содержания примесей. Проводимость, обусловленная нали­чием примесей в полупроводни­ке, называется примесной проводи­мостью.

Пусть, например, в кристалле кремния имеется примесь пятива­лентных атомов мышьяка, которые замещают в узлах кристаллической решетки атомы кремния. Пятива­лентный атом мышьяка вступает в ковалентные связи с четырьмя атома­ми кремния, а его пятый электрон оказывается незанятым в связях.

Энергия, необходимая для разры­ва связи пятого валентного электро­на с атомом мышьяка в кристалле кремния, значительно меньше энер­гии, необходимой для отрыва элект­рона от атома кремния. Поэтому при комнатной температуре почти все атомы мышьяка лишаются одного из своих электронов и становятся поло­жительными ионами.

Положительный ион мышьяка не может захватить электрон у одно­го из соседних атомов кремния, так как энергия связи электронов с ато­мами кремния значительно превыша­ет энергию связи пятого валентного электрона с атомом мышьяка. Поэто­му эстафетного перемещения элект­ронной вакансии не происходит, дырочной проводимости нет. Примеси, поставляющие электроны проводи­мости без возникновения равного им количества «дырок», называются донорными (от лат. donare — давать, жертвовать).

В полупроводниковом кристалле, содержащем донорные примеси, электроны являются основными, но не единственными носителями тока, так как небольшая часть собствен­ных атомов полупроводникового кристалла ионизована и в кристал­ле имеется небольшое количество «дырок». Полупроводниковые крис­таллы, в которых электроны служат основными носителями заряда, а «дырки» — не основными, называются электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа (от лат, negativus — отрицательный).

При введении в кристалл кремния небольшой примеси трехвалентного элемента, например индия, часть ато­мов кремния замещается этими ато­мами. Атом индия может осуществ­лять связь только с тремя соседни­ми атомами, а связь с четвертым ато­мом кремния оказывается незавер­шенной. Атом индия захватывает электрон у одного из со­седних атомов кремния и становится неподвижным отрицательным ионом. Захват электрона от одного из ато­мов кремния приводит к возникно­вению «дырки». Примеси, захваты­вающие электроны и создающие тем самым подвижные «дырки», не увели­чивая при этом числа электронов проводимости, называют акцептор­ными (от лат. acceptor — приемщик).

При низких температурах основ­ными носителями тока в полупровод­никовом кристалле с акцепторной примесью являются «дырки», а неос­новными — электроны. Полупровод­ники, в которых концентрация «ды­рок» превышает концентрацию элект­ронов проводимости, называют полу­проводниками р-типа или дырочны­ми полупроводниками (от лат. positivus — положительный).

Легко показать, что очень неболь­шое количество примеси пяти- или трехвалентного вещества в кремнии приводит к резкому уменьшению его удельного электрического сопротив­ления. В 1 м3 кремния содержится примерно 1028 атомов. Концентрация свободных электронов в чистом крем­нии при комнатной температуре сос­тавляет n =1017*м-3. Следовательно, на каждые сто миллиардов атомов кремния приходится один свободный электрон. Предположим, что всего 1% атомов кремния замещен атомами мышьяка. В 1% примеси мышьяка содержится 0,01 часть от 1028, т. е. 1026 атомов в 1 м3. Если считать, что каждый атом мышьяка дает один электрон проводимости, то концент­рация таких электронов, связанных с примесью, составляет 1026 м-3. Она в 109, т.е. в миллиард раз больше, чем концентрация электронов в чистом кремнии. Во столько же раз соответственно уменьшается удельное сопротивление полупроводников.