Полупроводники в электрическом поле кратко
Обновлено: 04.07.2024
ПОЛУПРОВОДНИКИ́, вещества, характеризующиеся электрич. проводимостью $σ$ , промежуточной между проводимостью хороших проводников, напр. металлов ( $σ≈10^4-10^6$ Ом –1 ·см –1 ), и хороших диэлектриков ( $σ≈10^-10^$ Ом –1 ·см –1 ) (проводимость указана при комнатной темп-ре). Характерной особенностью П. является сильная зависимость их проводимости от темп-ры, причём в достаточно широком интервале температур проводимость П., в отличие от металлов, экспоненциально увеличивается с ростом темп-ры $T$ : $$σ=σ_0\exp(–ℰ_a/kT).\tag$$ Здесь $k$ – постоянная Больцмана, $ℰ_a$ – энергия активации электронов в П., которая может меняться от нескольких мэВ до нескольких эВ, $σ_0$ – коэф. пропорциональности, который также зависит от темп-ры, но эта зависимость более слабая, чем экспоненциальная. С повышением темп-ры тепловое движение разрывает часть химич. связей в атомах П. и электроны, число которых пропорционально $\exp(–ℰ_a/kT)$ , становятся свободными и участвуют в электрич. проводимости. Энергия, необходимая для того, чтобы разорвать химич. связь и сделать валентный электрон свободным, называется энергией активации.
Важнейшее значение в современной технике играют компоненты электронных схем, большая часть которых построена с применением особых веществ, названных полупроводниками. Рассмотрим особенности протекания электрического тока в полупроводниках.
Проводимость полупроводника
Главное свойство полупроводников, результатом которого является широчайшее их распространение в современной электронике, является возможность легкого управления проводимостью. Это дает возможность использовать полупроводники для усиления и преобразования самых разных электрических сигналов.
Изначально полупроводниковые приборы строились в основном на основе германия. В настоящее время самое широкое применение находит кремний.
Строение кристалла полупроводника
Рис. 1. Структура связей в кристалле кремния.
Электронная проводимость
Наконец, наступает момент, когда энергия некоторых валентных электронов позволяет им совсем покинуть область электронной связи, и стать свободными. Число таких электронов с температурой повышается, и кристалл все лучше проводит электрический ток. У него появляется электронная проводимость.
Дырочная проводимость
В отсутствие электрического поля дырки образуются и исчезают хаотично. Однако, если такое поле появляется, дырка будет заполняться электронами из соседних атомов в основном под действием этого поля. То есть, под действием поля дырка начинает движение – в полупроводнике возникает дырочная проводимость.
Таким образом, кратко электрический ток в полупроводниках можно представить в виде движения электронов и дырок.
Собственная и примесная проводимость
Собственная проводимость чистого полупроводника, как правило, невелика, существенно меньше, чем проводимость металлов. Для работы в электронных схемах это большой недостаток. Для увеличения проводимости в полупроводник вводят специальные примеси.
Атомы примеси подбираются так, чтобы они легко встраивались в кристаллическую структуру полупроводника, и при этом значительно влияли на его проводимость, несмотря на небольшое количество примеси. Такой результат можно получить, если валентность примеси будет немного отличаться (на единицу) от валентности вещества полупроводника.
Донорная и акцепторная проводимость
Рис. 2. Электронная проводимость полупроводника.
Рис. 3. Дырочная проводимость полупроводника.
Изменяя концентрацию примесей, можно значительно менять как электронную, так и дырочную проводимость. Эта возможность широко используется в электронике.
Что мы узнали?
До сих пор, говоря о способности веществ проводить электрический ток, мы делили их на проводники и диэлектрики. Удельное сопротивление обычных проводников находится в интервале Ом·м; удельное сопротивление диэлектриков превышает эти величины в среднем на порядков: Ом·м.
Но существуют также вещества, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Это полупроводники: их удельное сопротивление при комнатной температуре может принимать значения в очень широком диапазоне Ом·м. К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, некоторые другие химические элементы и соединения (Полупроводники чрезвычайно распространены в природе. Например, около 80% массы земной коры приходится на вещества, являющиеся полупроводниками). Наиболее широко примененяются кремний и германий .
Главная особенность полупроводников заключается в том, что их электропроводность резко увеличивается с повышением температуры. Удельное сопротивление полупроводника убывает с ростом температуры примерно так, как показано на рис. 1 .
Рис. 1. Зависимость для полупроводника
Иными словами, при низкой температуре полупроводники ведут себя как диэлектрики, а при высокой — как достаточно хорошие проводники. В этом состоит отличие полупроводников от металлов: удельное сопротивление металла, как вы помните, линейно возрастает с увеличением температуры.
Между полупроводниками и металлами имеются и другие отличия. Так, освещение полупроводника вызывает уменьшение его сопротивления (а на сопротивление металла свет почти не оказывает влияния). Кроме того, электропроводность полупроводников может очень сильно меняться при введении даже ничтожного количества примесей.
Опыт показывает, что, как и в случае металлов, при протекании тока через полупроводник не происходит переноса вещества. Стало быть, электрический ток в полупроводниках обусловлен движением электронов.
Уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании говорит о том, что повышение температуры приводит к увеличению количества свободных зарядов в полупроводнике. В металлах ничего такого не происходит; следовательно, полупроводники обладают иным механизмом электропроводности, чем металлы. И причина этого — различная природа химической связи между атомами металлов и полупроводников.
Ковалентная связь
Металлическая связь, как вы помните, обеспечивается газом свободных электронов, который, подобно клею, удерживает положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Полупроводники устроены иначе — их атомы скрепляет ковалентная связь. Давайте вспомним, что это такое.
Рис. 2. Ковалентная связь
Обобществлённая пара электронов как раз и удерживает атомы друг около друга (с помощью сил электрического притяжения). Ковалентная связь — это связь, существующая между атомами за счёт общих электронных пар. По этой причине ковалентная связь называется также парноэлектронной.
Кристаллическая структура кремния
Теперь мы готовы подробнее изучить внутреннее устройство полупроводников. В качестве примера рассмотрим самый распространённый в природе полупроводник — кремний. Аналогичное строение имеет и второй по важности полупроводник — германий.
Пространственная структура кремния представлена на рис. 3 (автор картинки — Ben Mills). Шариками изображены атомы кремния, а трубки, их соединяющие, — это каналы ковалентной связи между атомами.
Рис. 3. Кристаллическая структура кремния
Обратите внимание, что каждый атом кремния скреплён с четырьмя соседними атомами. Почему так получается?
Дело в том, что кремний четырёхвалентен — на внешней электронной оболочке атома кремния расположены четыре валентных электрона. Каждый из этих четырёх электронов готов образовать общую электронную пару с валентным электроном другого атома. Так и происходит! В результате атом кремния окружается четырьмя пристыковавшимися к нему атомами, каждый из которых вносит по одному валентному электрону. Соответственно, вокруг каждого атома оказывается по восемь электронов (четыре своих и четыре чужих).
Более подробно мы видим это на плоской схеме кристаллической решётки кремния (рис. 4 ).
Рис. 4. Кристаллическая решётка кремния
Ковалентные связи изображены парами линий, соединяющих атомы; на этих линиях находятся общие электронные пары. Каждый валентный электрон, расположенный на такой линии, большую часть времени проводит в пространстве между двумя соседними атомами.
Тем не менее, валентные электроны кремния не являются свободными (как это имеет место в металле). В полупроводнике связь валентных электронов с атомами гораздо прочнее, чем в металле; ковалентные связи кремния не разрываются при невысоких температурах. Энергии электронов оказывается недостаточно для того, чтобы под действием внешнего электрического поля начать упорядоченное движение от меньшего потенциала к большему. Поэтому при достаточно низких температурах полупроводники близки к диэлектрикам — они не проводят электрический ток.
Собственная проводимость
Если включить в электрическую цепь полупроводниковый элемент и начать его нагревать, то сила тока в цепи возрастает. Следовательно, сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры. Почему это происходит?
При повышении температуры тепловые колебания атомов кремния становятся интенсивнее, и энергия валентных электронов возрастает. У некоторых электронов энергия достигает значений, достаточных для разрыва ковалентных связей. Такие электроны покидают свои атомы и становятся свободными (или электронами проводимости) — точно так же, как в металле. Во внешнем электрическом поле свободные электроны начинают упорядоченное движение, образуя электрический ток.
Чем выше температура кремния, тем больше энергия электронов, и тем большее количество ковалентных связей не выдерживает и рвётся. Число свободных электронов в кристалле кремния возрастает, что и приводит к уменьшению его сопротивления.
Разрыв ковалентных связей и появление свободных электронов показан на рис. 5 . На месте разорванной ковалентной связи образуется дырка — вакантное место для электрона. Дырка имеет положительный заряд, поскольку с уходом отрицательно заряженного электрона остаётся нескомпенсированный положительный заряд ядра атома кремния.
Рис. 5. Образование свободных электронов и дырок
При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок носит случайный характер, ибо валентные электроны блуждают между атомами хаотически. Однако в электрическом поле начинается направленное движение дырок. Почему? Понять это несложно.
На рис. 6 изображён полупроводник, помещённый в электрическое поле . В левой части рисунка — начальное положение дырки.
Рис. 6. Движение дырки в электрическом поле
Мы видим, что дырка в целом перемещается по направлению линий поля — то есть туда, куда и полагается двигаться положительным зарядам. Подчеркнём ещё раз, что направленное движение дырки вдоль поля вызвано перескоками валентных электронов от атома к атому, происходящими преимущественно в направлении против поля.
Таким образом, в кристалле кремния имеется два типа носителей заряда: свободные электроны и дырки. При наложении внешнего электрического поля появляется электрический ток, вызванный их упорядоченным встречным движением: свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряжённости поля , а дырки — в направлении вектора .
Возникновение тока за счёт движения свободных электронов называется электронной проводимостью, или проводимостью n-типа. Процесс упорядоченного перемещения дырок называется дырочной проводимостью,или проводимостью p-типа (от первых букв латинских слов negativus (отрицательный) и positivus (положительный)). Обе проводимости — электронная и дырочная — вместе называются собственной проводимостью полупроводника.
Изменение внешних условий смещает состояние динамического равновесия в ту или иную сторону. Равновесное значение концентрации носителей заряда при этом, естественно, изменяется. Например, число свободных электронов и дырок возрастает при нагревании полупроводника или при его освещении.
При комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок в кремнии приблизительно равно см . Концентрация же атомов кремния — порядка см . Иными словами, на атомов кремния приходится лишь один свободный электрон! Это очень мало. В металлах, например, концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов. Соответственно, собственная проводимость кремния и других полупроводников при нормальных условиях мала по сравнению с проводимостью металлов.
Примесная проводимость
Важнейшей особенностью полупроводников является то, что их удельное сопротивление может быть уменьшено на несколько порядков в результате введения даже весьма незначительного количества примесей. Помимо собственной проводимости у полупроводника возникает доминирующая примесная проводимость. Именно благодаря этому факту полупроводниковые приборы нашли столь широкое применение в науке и технике.
Предположим, например, что в расплав кремния добавлено немного пятивалентного мышьяка . После кристаллизации расплава оказывается, что атомы мышьяка занимают места в некоторых узлах сформировавшейся кристаллической решётки кремния.
На внешнем электронном уровне атома мышьяка имеется пять электронов. Четыре из них образуют ковалентные связи с ближайшими соседями — атомами кремния (рис. 7 ). Какова судьба пятого электрона, не занятого в этих связях?
Рис. 7. Полупроводник n-типа
Таким образом, внедрение атомов пятивалентного мышьяка в кристаллическую решётку кремния создаёт электронную проводимость, но не приводит к симметричному появлению дырочной проводимости. Главная роль в создании тока теперь принадлежит свободным электронам, которые в данном случае называются основными носителями заряда.
Механизм собственной проводимости, разумеется, продолжает работать и при наличии примеси: ковалентные связи по-прежнему рвутся за счёт теплового движения, порождая свободные электроны и дырки. Но теперь дырок оказывается гораздо меньше, чем свободных электронов, которые в большом количестве предоставлены атомами мышьяка. Поэтому дырки в данном случае будут неосновными носителями заряда.
Примеси, атомы которых отдают свободные электроны без появления равного количества подвижных дырок, называются донорными. Например, пятивалентный мышьяк — донорная примесь. При наличии в полупроводнике донорной примеси основными носителями заряда являются свободные электроны, а неосновными — дырки; иными словами, концентрация свободных электронов намного превышает концентрацию дырок. Поэтому полупроводники с донорными примесями называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа (или просто n-полупроводниками).
А насколько, интересно, концентрация свободных электронов может превышать концентрацию дырок в n-полупроводнике? Давайте проведём простой расчёт.
Предположим, что примесь составляет , то есть на тысячу атомов кремния приходится один атом мышьяка. Концентрация атомов кремния, как мы помним, порядка см .
Концентрация атомов мышьяка, соответственно, будет в тысячу раз меньше: см . Такой же окажется и концентрация свободных электронов, отданных примесью — ведь каждый атом мышьяка отдаёт по электрону. А теперь вспомним, что концентрация электронно-дырочных пар, появляющихся при разрывах ковалентных связей кремния, при комнатной температуре примерно равна см . Чувствуете разницу? Концентрация свободных электронов в данном случае больше концентрации дырок на порядков, то есть в миллиард раз! Соответственно, в миллиард раз уменьшается удельное сопротивление кремниевого полупроводника при введении столь небольшого количества примеси.
Приведённый расчёт показывает, что в полупроводниках n-типа основную роль действительно играет электронная проводимость. На фоне столь колоссального превосходства численности свободных электронов вклад движения дырок в общую проводимость пренебрежимо мал.
Можно, наоборот, создать полупроводник с преобладанием дырочной проводимости. Так получится, если в кристалл кремния внедрить трёхвалентную примесь — например, индий . Результат такого внедрения показан на рис. 8 .
Рис. 8. Полупроводник p-типа
Что происходит в этом случае? На внешнем электронном уровне атома индия расположены три электрона, которые формируют ковалентные связи с тремя окружающими атомами кремния. Для четвёртого соседнего атома кремния у атома индия уже не хватает электрона, и в этом месте возникает дырка.
Трёхвалентный индий — пример акцепторной примеси.
Если в кристалл чистого кремния ввести акцепторную примесь, то число дырок, порождённых примесью, будет намного больше числа свободных электронов, возникших за счёт разрыва ковалентных связей между атомами кремния. Полупроводник с акцепторной примесью — это дырочный полупроводник, или полупроводник p-типа (или просто p-полупроводник).
Дырки играют главную роль при создании тока в p-полупроводнике; дырки — основные носители заряда. Свободные электроны — неосновные носители заряда в p-полупроводнике. Движение свободных электронов в данном случае не вносит существенного вклада: электрический ток обеспечивается в первую очередь дырочной проводимостью.
p–n-переход
Место контакта двух полупроводников с различными типами проводимости (электронной и дырочной) называется электронно-дырочным переходом, или p–n-переходом. В области p–n-перехода возникает интересное и очень важное явление — односторонняя проводимость.
На рис. 9 изображён контакт областей p- и n-типа; цветные кружочки — это дырки и свободные электроны, которые являются основными (или неосновными) носителями заряда в соответствующих областях.
Рис. 9. Запирающий слой p–n-перехода
Совершая тепловое движение, носители заряда проникают через границу раздела областей.
Свободные электроны переходят из n-области в p-область и рекомбинируют там с дырками; дырки же диффундируют из p-области в n-область и рекомбинируют там с электронами.
В результате этих процессов в электронном полупроводнике около границы контакта остаётся нескомпенсированный заряд положительных ионов донорной примеси, а в дырочном полупроводнике (также вблизи границы) возникает нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Эти нескомпенсированные объёмные заряды образуют так называемый запирающий слой , внутреннее электрическое поле которого препятствует дальнейшей диффузии свободных электронов и дырок через границу контакта.
Рис. 10. Включение в обратном направлении: тока нет
Мы видим, что внешнее электрическое поле уводит основные носители заряда дальше от границы контакта. Ширина запирающего слоя увеличивается, его электрическое поле возрастает. Сопротивление запирающего слоя велико, и основные носители не в состоянии преодолеть p–n-переход. Электрическое поле позволяет переходить границу лишь неосновным носителям, однако ввиду очень малой концентрации неосновных носителей создаваемый ими ток пренебрежимо мал.
Рассмотренная схема называется включением p–n-перехода в обратном направлении. Электрического тока основных носителей нет; имеется лишь ничтожно малый ток неосновных носителей. В данном случае p–n-переход оказывается закрытым.
Рис. 11. Включение в прямом направлении: ток идёт
В этом случае внешнее электрическое поле направлено против запирающего поля и открывает путь основным носителям через p–n-переход. Запирающий слой становится тоньше, его сопротивление уменьшается.
Происходит массовое перемещение свободных электронов из n-области в p-область, а дырки, в свою очередь, дружно устремляются из p-области в n-область.
В цепи возникает ток , вызванный движением основных носителей заряда (Теперь, правда, электрическое поле препятствует току неосновных носителей, но этот ничтожный фактор не оказывает заметного влияния на общую проводимость).
Односторонняя проводимость p–n-перехода используется в полупроводниковых диодах. Диодом называется устройство, проводящие ток в лишь одном направлении; в противоположном направлении ток через диод не проходит (диод, как говорят, закрыт). Схематическое изображение диода показано на рис. 12 .
В данном случае диод открыт в направлении слева направо: заряды как бы текут вдоль стрелки (видите её на рисунке?). В направлении справа налево заряды словно упираются в стенку — диод закрыт.
Начнем с полупроводниковых приборов. Но чтобы понять, как работает диод, тиристор или транзистор, надо представлять, что такое полупроводник. Поэтому мы, сначала изучим структуру и свойства полупроводников на молекулярном уровне, а затем уже будем разбираться с работой и устройством полупроводниковых радиокомпонентов.
Общие понятия.
Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.
Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, окись меди), но для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только Кремний (Si) и Германий (Ge).
По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.
Свойства полупроводников.
Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры.
При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники не проводят электрический ток, а с повышением температуры, их сопротивляемость току уменьшается.
Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.
Строение атомов полупроводников.
Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.
Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыре валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом.
В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.
Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.
На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.
Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.
Электропроводность полупроводника.
Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.
А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.
Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.
Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.
Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).
Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.
Электронно-дырочная проводимость.
Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.
Электронная проводимость.
Дырочная проводимость.
Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.
Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.
Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.
На этом давайте остановимся, а в следующей части рассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.
Удачи!
Читайте также: