Які причини викликають утворення пар електронної дірки. Енергетичні зони

Енергетичний спектр чистих (або, як кажуть, власних) напівпровідникових кристалів відрізняється від спектру діелектриків тільки в кількісному відношенні меншими значеннямищілини , у результаті при звичайних темературах напівпровіднику є значна (проти діелектриком) щільність носіїв струму. Ясно, що ця відмінність умовна, і до того ж залежить від області температур, що нас цікавить.

У домішкових (або легованих) напівпровідниках додатковим джереломелектронів або дірок є атоми домішок, для яких енергетична щілина по відношенню до віддачі електрона в решітку (донорна домішка) або його захоплення з ґрат (акцепторна домішка) виявляється меншою, ніж енергетична щілина в основному спектрі.

Розглянемо докладніше питання про зв'язок між величиною щілини А та щільністю електронів провідності та дірок у напівпровіднику (або діелектриці).

Попарне виникнення або зникнення електрона та дірки можна розглядати, з термодинамічної точки зору, як хімічну реакцію»(основний стан кристала відіграє роль «вакууму»). за загальним правилам(див. V § 101) умова термодинамічної рівноваги цієї реакції записується у вигляді

де - хімічні потенціалиелектронів та дірок. Зважаючи на порівняно невелику щільність електронів і дірок у напівпровіднику (при ) розподіл Фермі для них з великою точністюзводиться до розподілу Больцмана, отже електрони та дірки утворюють класичний газ. З умови (67,1) випливає тоді звичайним чином (див. V § 101) закон діючих масзгідно з яким добуток рівноважних щільностей

де справа стоїть функція температури, яка залежить тільки від властивостей основної решітки, на атомах якої відбувається народження і знищення електронів і дірок; ця функція залежить від наявності чи відсутності домішок. Обчислимо функцію прийнявши для визначеності, що енергії електронів і дірок квадратичними функціямиквазіімпульсу (66,1).

Розподіл електронів (в одиниці обсягу) за квазіімпульсами дається розподілом Больцмана

(множник 2 враховує два напрямки спина). Перехід до розподілу за енергіями здійснюється заміною

де - головні значення тензора ефективних мас.

Повна кількість електронів в одиниці об'єму є, отже,

(через швидку збіжність інтегрування можна поширити до нескінченності). Обчисливши інтеграл, знаходимо

Теми кодифікатора ЄДІ : напівпровідники, власна та домішкова провідність напівпровідників.

Досі, говорячи про здатність речовин проводити електричний струм, ми ділили їх на провідники та діелектрики. Питома опір звичайних провідників перебуває у інтервалі Ом·м; питомий опір діелектриків перевищує ці величини в середньому на порядки: Ом.

Але існують також речовини, які за своєю електропровідністю займають проміжне положенняміж провідниками та діелектриками. Це напівпровідники: їх питомий опір при кімнатній температуріможе набувати значень у дуже широкому діапазоні Ом·м. До напівпровідників відносяться кремній, германій, селен, деякі інші. хімічні елементиі з'єднання (Напівпровідники надзвичайно поширені в природі. Наприклад, близько 80% маси земної кориприпадає на речовини, які є напівпровідниками). Найбільш широко застосовуються кремній та германій.

Головна особливістьнапівпровідників полягає в тому, що їхня електропровідність різко збільшується з підвищенням температури. Питомий опір напівпровідника зменшується зі зростанням температури приблизно так, як показано на рис. 1 .

Мал. 1. Залежність для напівпровідника

Іншими словами, при низькій температурі напівпровідники поводяться як діелектрики, а при високій - як досить добрі провідники. У цьому полягає відмінність напівпровідників від металів: питомий опір металу, як пам'ятаєте, лінійно зростає зі збільшенням температури.

Між напівпровідниками та металами є й інші відмінності. Так, освітлення напівпровідника викликає зменшення його опору (а на опір металу світло майже не впливає). Крім того, електропровідність напівпровідників може дуже змінюватися при введенні навіть мізерної кількості домішок.

Досвід показує, що, як і у разі металів, при протіканні струму через напівпровідник немає переносу речовини. Отже, електричний струм у напівпровідниках обумовлений рухом електронів.

Зменшення опору напівпровідника при його нагріванні свідчить, що підвищення температури призводить до збільшення кількості вільних зарядіву напівпровіднику. У металах нічого такого немає; отже, напівпровідники мають інший механізм електропровідності, ніж метали. І причина цього – різна природа хімічного зв'язкуміж атомами металів та напівпровідників.

Ковалентний зв'язок

Металевий зв'язок, як ви пам'ятаєте, забезпечується газом вільних електронів, який, подібно до клею, утримує позитивні іони у вузлах кристалічних ґрат. Напівпровідники влаштовані інакше – їх атоми скріплює ковалентний зв'язок. Згадаймо, що це таке.

Електрони, що знаходяться на зовнішньому електронному рівніі звані валентними, Слабше пов'язані з атомом, ніж інші електрони, які розташовані ближче до ядра. У процесі утворення ковалентного зв'язку два атоми вносять «у спільну справу» за своїм валентним електроном. Ці два електрони узагальнюються, тобто тепер належать вже обом атомам, і тому називаються загальною електронною парою(Рис. 2).

Мал. 2. Ковалентний зв'язок

Узагальнена пара електронів таки утримує атоми один біля одного (за допомогою сил електричного тяжіння). Ковалентний зв'язок - це зв'язок, що існує між атомами за рахунок загальних електронних пар. З цієї причини ковалентний зв'язок називається також парноелектронної.

Кристалічна структура кремнію

Тепер ми готові докладніше вивчити внутрішній пристрій напівпровідників. Як приклад розглянемо найпоширеніший у природі напівпровідник – кремній. Аналогічна будова має і другий за важливістю напівпровідник – германій.

Просторова структура кремнію представлена ​​на рис. 3 (автор зображення - Ben Mills). Кульками зображені атоми кремнію, а трубки, що їх з'єднують - це канали ковалентного зв'язку між атомами.

Мал. 3. Кристалічна структура кремнію

Зверніть увагу, що кожен атом кремнію скріплений з чотирмасусідніми атомами. Чому так виходить?

Справа в тому, що кремній чотиривалентний - на зовнішній електронній оболонці атома кремнію розташовані чотири валентних електрона. Кожен із цих чотирьох електронів готовий утворити спільну електронну пару з валентним електроном іншого атома. Так і стається! В результаті атом кремнію оточується чотирма атомами, що пристикуються до нього, кожен з яких вносить по одному валентному електрону. Відповідно, навколо кожного атома виявляється по вісім електронів (чотири свої та чотири чужі).

Більш детально ми бачимо це на плоскій схемі кристалічних ґрат кремнію (рис. 4).

Мал. 4. Кристалічні грати кремнію

Ковалентні зв'язки зображені парами ліній, що з'єднують атоми; на цих лініях знаходяться спільні електронні пари. Кожен валентний електрон, розташований на такій лінії, більшу частинучасу проводить у просторі між двома сусідніми атомами.

Однак валентні електрони аж ніяк не «прив'язані намертво» до відповідних пар атомів. Відбувається перекриття електронних оболонок всіхсусідніх атомів, тому будь-який валентний електрон є загальним надбанням всіх атомів-сусідів. Від деякого атома 1 такий електрон може перейти до сусіднього з ним атома 2 потім - до сусіднього з ним атома 3 і так далі. Валентні електрони можуть переміщатися по всьому простору кристала - вони, як то кажуть, належать всьому кристалу(а не якійсь одній атомній парі).

Тим не менш, валентні електрони кремнію не є вільними (як це має місце у металі). У напівпровіднику зв'язок валентних електронів з атомами набагато міцніший, ніж у металі; ковалентні зв'язки кремнію не розриваються за невисоких температур. Енергії електронів виявляється недостатньо для того, щоб під дією зовнішнього електричного поляпочати впорядкований рух від меншого потенціалу до більшого. Тому при достатньо низьких температурахнапівпровідники близькі до діелектриків – вони не проводять електричного струму.

Власна провідність

Якщо увімкнути в електричний ланцюгнапівпровідниковий елемент і почати його нагрівати, то сила струму в ланцюзі зростає. Отже, опір напівпровідника зменшуєтьсяіз зростанням температури. Чому це відбувається?

При підвищенні температури теплові коливання атомів кремнію стають інтенсивнішими, і енергія валентних електронів зростає. У деяких електронів енергія досягає значень, достатніх для розриву ковалентних зв'язків. Такі електрони залишають свої атоми та стають вільними(або електронами провідності) - так само, як у металі. У зовнішньому електричному полі вільні електрони починають упорядкований рух, утворюючи електричний струм.

Що температура кремнію, то більше вписувалося енергія електронів, і тим більше Велика кількістьковалентних зв'язків не витримує та рветься. Число вільних електронів у кристалі кремнію зростає, що призводить до зменшення його опору.

Розрив ковалентних зв'язків та поява вільних електронів показано на рис. 5 . На місці розірваного ковалентного зв'язку утворюється дірка- Вакантне місце для електрона. Дірка має позитивнийзаряд, оскільки з відходом негативно зарядженого електрона залишається некомпенсований позитивний заряд ядра атома кремнію.

Мал. 5. Освіта вільних електронів та дірок

Дірки не залишаються на місці - вони можуть блукати кристалом. Справа в тому, що один із сусідніх валентних електронів, «подорожуючи» між атомами, може перескочити на вакантне місце, що утворилося, заповнивши дірку; тоді дірка тут зникне, але з'явиться там, звідки електрон прийшов.

За відсутності зовнішнього електричного поля переміщення дірок має випадковий характер, бо валентні електрони блукають між атомами хаотично. Проте в електричному полі починається спрямованерух дірок. Чому? Зрозуміти це нескладно.

На рис. 6 зображено напівпровідник, поміщений в електричне поле . У лівій частині малюнка – початкове положення дірки.

Мал. 6. Рух дірки в електричному полі

Куди зміститься дірка? Зрозуміло, що найімовірнішими є перескоки «електрон > дірка» у напрямку протиліній поля (тобто «плюсів», що створює поле). Один із таких перескоків показаний у середній частині малюнка: електрон стрибнув ліворуч, заповнивши вакансію, а дірка відповідно змістилася вправо. Наступний можливий стрибок електрона, спричинений електричним полем, зображений у правій частині малюнка; в результаті цього стрибка дірка посіла нове місце, розташоване ще правіше.

Ми бачимо, що дірка загалом переміщається у напрямкуліній поля - тобто туди, куди і слід рухатися позитивним зарядам. Ще раз підкреслимо, що спрямований рух дірки вздовж поля викликаний перескоками валентних електронів від атома до атома, що відбуваються переважно в напрямку проти поля.

Таким чином, в кристалі кремнію є два типи носіїв заряду: вільні електрони та дірки. При накладенні зовнішнього електричного поля з'являється електричний струм, викликаний їх упорядкованим зустрічним рухом: вільні електрони переміщаються протилежно вектору напруженості поля, а дірки - у напрямку вектора.

Виникнення струму рахунок руху вільних електронів називається електронною провідністю, або провідністю n-типу. Процес упорядкованого переміщення дірок називається дірковою провідністю,або провідністю p-типу(Від перших букв латинських слів negativus (негативний) і positivus (позитивний)). Обидві провідності – електронна та дірочна – разом називаються власною провідністюнапівпровідник.

Кожен відхід електрона з розірваного ковалентного зв'язку породжує пару «вільний електрон-дірка». Тому концентрація вільних електронів у кристалі чистого кремнію дорівнює концентрації дірок. Відповідно, при нагріванні кристала збільшується концентрація як вільних електронів, а й дірок, що призводить до зростання власної провідності напівпровідника рахунок збільшення як електронної, і діркової провідності.

Поряд з утворенням пар «вільний електрон-дірка» йде і зворотний процес: рекомбінаціявільних електронів та дірок. А саме, вільний електрон, зустрічаючись із діркою, заповнює цю вакансію, відновлюючи розірваний ковалентний зв'язок і перетворюючись на валентний електрон. Таким чином, у напівпровіднику встановлюється динамічна рівновага: середня кількість розривів ковалентних зв'язків і електронно-діркових пар, що утворюються, в одиницю часу дорівнює середньому числу рекомбінуючих електронів і дірок. Цей стан динамічної рівноваги визначає рівноважну концентрацію вільних електронів та дірок у напівпровіднику за цих умов.

Зміна зовнішніх умовзміщує стан динамічної рівноваги у той чи інший бік. Рівноважне значення концентрації носіїв заряду у своїй, природно, змінюється. Наприклад, кількість вільних електронів і дірок зростає при нагріванні напівпровідника або його освітленні.

При кімнатній температурі концентрація вільних електронів і дірок у кремнії приблизно дорівнює див. Концентрація атомів кремнію - близько див. Іншими словами, на атомів кремнію припадає лише один вільний електрон! Це дуже мало. У металах, наприклад, концентрація вільних електронів приблизно дорівнює концентрації атомів. Відповідно, власна провідність кремнію та інших напівпровідників при нормальних умовахмала в порівнянні з провідністю металів.

Домішна провідність

Найважливішою особливістю напівпровідників є те, що їх питомий опір може бути зменшено на кілька порядків у результаті введення навіть незначної кількості домішок. Крім власної провідності у напівпровідника виникає домінуюча домішкова провідність. Саме завдяки цьому факту напівпровідникові прилади знайшли так широке застосуванняу науці та техніці.
Припустимо, наприклад, що розплав кремнію додано трохи пятивалентного миш'яку . Після кристалізації розплаву виявляється, що атоми миш'яку займають місця в деяких вузлах кристалічної решітки кремнію, що сформувалася.

На зовнішньому електронному рівні атома миш'яку є п'ять електронів. Чотири з них утворюють ковалентні зв'язки з найближчими сусідами – атомами кремнію (рис. 7). Яка доля п'ятого електрона, що не зайнятий у цих зв'язках?

Мал. 7. Напівпровідник n-типу

А п'ятий електрон стає вільним! Справа в тому, що енергія зв'язку цього «зайвого» електрона з атомом миш'яку, розташованим у кристалі кремнію, набагато менше енергії зв'язку валентних електронів з атомами кремнію. Тому вже за кімнатної температури майже всі атоми миш'яку внаслідок теплового руху залишаються без п'ятого електрона, перетворюючись на позитивні іони. А кристал кремнію відповідно наповнюється вільними електронами, які відчепилися від атомів миш'яку.

Наповнення кристала вільними електронами для нас не новина: ми бачили це й вище, коли грівся чистийкремній (без будь-яких домішок). Але зараз ситуація принципово інша: поява вільного електрона, що пішов з атома миш'яку, не супроводжується появою рухомої дірки. Чому? Причина та ж - зв'язок валентних електронів з атомами кремнію набагато міцніший, ніж з атомом миш'яку на п'ятій вакансії, тому електрони сусідніх атомів кремнію і не прагнуть цю вакансію заповнити. Вакансія, таким чином, залишається на місці, вона хіба що «приморожена» до атома миш'яку і бере участь у створенні струму.

Таким чином, Впровадження атомів пятивалентного миш'яку в кристалічну решітку кремнію створює електронну провідність, але не призводить до симетричної появи діркової провідності. Головна роль у створенні струму тепер належить вільним електронам, які в даному випадкуназиваються основними носіямизаряду.

Механізм власної провідності, зрозуміло, продовжує працювати і за наявності домішки: ковалентні зв'язки, як і раніше, рвуться за рахунок теплового руху, породжуючи вільні електрони та дірки. Але тепер дірок виявляється набагато менше, ніж вільних електронів, які у великій кількості надані атомами миш'яку. Тому дірки в даному випадку будуть неосновними носіямизаряду.

Домішки, атоми яких віддають вільні електрони без появи рівної кількості рухомих дірок, називаються донорними. Наприклад, пятивалентний миш'як - донорна домішка. За наявності напівпровідника донорної домішки основними носіями заряду є вільні електрони, а неосновними - дірки; іншими словами, концентрація вільних електронів набагато перевищує концентрацію дірок. Тому напівпровідники з донорними домішками називаються електронними напівпровідниками, або напівпровідниками n-типу(або просто n-напівпровідниками).

А наскільки, цікаво, концентрація вільних електронів може перевищувати концентрацію дірок у n-напівпровіднику? Давайте проведемо простий розрахунок.

Припустимо, що домішка становить , тобто на тисячу атомів кремнію припадає один атом миш'яку. Концентрація атомів кремнію, як ми пам'ятаємо, порядку див.

Концентрація атомів миш'яку, відповідно, буде в тисячу разів менша: див. Такою ж виявиться і концентрація вільних електронів, відданих домішкою - адже кожен атом миш'яку віддає електроном. А тепер пригадаємо, що концентрація електронно-діркових пар, що з'являються при розривах ковалентних зв'язків кремнію, при кімнатній температурі приблизно дорівнює див. Відчуваєте різницю? Концентрація вільних електронів у разі більше концентрації дірок на порядків, тобто у мільярд раз! Відповідно, у мільярд разів зменшується питомий опір кремнієвого напівпровідника при введенні такої невеликої кількості домішки.

Наведений розрахунок показує, що у напівпровідниках n-типу основну роль справді грає електронна провідність. На тлі такої колосальної переваги чисельності вільних електронів внесок руху дірок у загальну провідність дуже малий.

Можна, навпаки, створити напівпровідник з величезним переважанням діркової провідності. Так вийде, якщо в кристал кремнію впровадити тривалентну домішку – наприклад, індій. Результат такого застосування показаний на рис. 8 .

Мал. 8. Напівпровідник p-типу

Що відбувається у цьому випадку? На зовнішньому електронному рівні атома індію розташовані три електрони, які формують ковалентні зв'язки з трьома навколишніми атомами кремнію. Для четвертого сусіднього атома кремнію в атома індія вже не вистачає електрона, і тут виникає дірка.

І дірка ця не проста, а особлива - з вельми великою енергієюзв'язку. Коли до неї потрапить електрон із сусіднього атома кремнію, він у ній «застрягне навіки», бо тяжіння електрона до атома індія дуже велике - більше, ніж до атомів кремнію. Атом індия перетвориться на негативний іон, а там, звідки електрон прийшов, виникне дірка - але тепер вже звичайна рухлива дірка у вигляді розірваного ковалентного зв'язку в кристалічній решітці кремнію. Ця дірка звичайним чином почне блукати кристалом рахунок «естафетної» передачі валентних електронів від одного атома кремнію до іншого.

І так, кожен домішковий атом індію породжує дірку, але не призводить до симетричної появи вільного електрона. Такі домішки, атоми яких захоплюють «намертво» електрони і тим самим створюють у кристалі рухливу дірку, називаються акцепторними.

Тривалентний індій – приклад акцепторної домішки.

Якщо в кристал чистого кремнію ввести акцепторну домішку, то кількість дірок, породжених домішкою, буде набагато більше числавільних електронів, що виникли за рахунок розриву ковалентних зв'язків між атомами кремнію. Напівпровідник з акцепторною домішкою - це дірковий напівпровідник, або напівпровідник p-типу(або просто p-напівпровідник).

Дірки грають головну рольпри створенні струму в p-напівпровіднику; дірки - основні носії заряду. Вільні електрони - неосновні носіїзаряду в p-напівпровіднику. Рух вільних електронів у разі не робить істотного вкладу: електричний струм забезпечується насамперед дірковою провідністю.

p-n-перехід

Місце контакту двох напівпровідників з різними типамипровідності (електронної та діркової) називається електронно-дірковим переходом , або p–n-переходом. В області p–n-переходу виникає цікаве та дуже важливе явище – одностороння провідність.

На рис. 9 зображено контакт областей p-і n-типу; кольорові кружечки - це дірки та вільні електрони, які є основними (або неосновними) носіями заряду у відповідних областях.

Мал. 9. Замикаючий шар p-n-переходу

Здійснюючи тепловий рух, носії заряду проникають через межу поділу областей.

Вільні електрони переходять з n-області до p-області і рекомбінують там з дірками; дірки ж дифундують з p-області в n-область і рекомбінують там з електронами.

Внаслідок цих процесів в електронному напівпровіднику біля межі контакту залишається некомпенсований заряд позитивних іонівдонорної домішки, а в дірочному напівпровіднику (також поблизу кордону) виникає некомпенсований негативний зарядіонів акцепторної домішки. Ці некомпенсовані об'ємні зарядиутворюють так званий замикаючий шар, внутрішнє електричне поле якого перешкоджає подальшій дифузії вільних електронів та дірок через кордон контакту.

Підключимо тепер до нашого напівпровідникового елемента джерело струму, подавши «плюс» джерела на n-напівпровідник, а «мінус» - на p-напівпровідник (рис. 10).

Мал. 10. Включення до зворотному напрямку: струму немає

Ми бачимо, що зовнішнє електричне поле забирає основні носії заряду далі від межі контакту. Ширина замикаючого шару збільшується, його електричне поле зростає. Опір замикаючого шару велике, і основні носії не в змозі подолати p-n-перехід. Електричне поле дозволяє переходити кордон лише неосновним носіям, проте через дуже малу концентрацію неосновних носіївстворюваний ними струм зневажливо малий.

Розглянута схема називається включенням p-n-переходу у зворотному напрямку. Електричного струму основних носіїв немає; є лише дуже малий струм неосновних носіїв. У разі p–n-переход виявляється закритим.

Тепер поміняємо полярність підключення і подамо «плюс» на p-напівпровідник, а «мінус»-на n-напівпровідник (рис. 11). Ця схема називається включенням у прямому напрямку.

Мал. 11. Включення у прямому напрямку: струм йде

У цьому випадку зовнішнє електричне поле спрямоване проти замикаючого поля і відкриває шлях основним носіям через p-n-перехід. Замикаючий шар стає тоншим, його опір зменшується.

Відбувається масове переміщення вільних електронів з n-області в p-область, а дірки, своєю чергою, дружно прямують з p-області в n-область.

У ланцюзі виникає струм , викликаний рухом основних носіїв заряду (Тепер, щоправда, електричне полі перешкоджає струму неосновних носіїв, але це нікчемний чинник помітно впливає загальну провідність).

Одностороння провідність p–n-переходу використовується в напівпровідникових діодах . Діодом називається пристрій, що проводять струм лише в одному напрямку; в протилежному напрямкуСтрум через діод не проходить (діод, як кажуть, закритий). Схематичне зображення діода показано на рис. 12 .

Мал. 12. Діод

В даному випадку діод відкритий у напрямку зліва направо: заряди течуть уздовж стрілки (бачите її на малюнку?). У напрямку праворуч наліво заряди немов упираються в стінку - діод закритий.

Що таке електронна дірка? заданий автором Вірус.найкраща відповідь це А мені здається, що це те, що "рухається" в зворотний біквід руху електронів і заряджено позитивно. Якесь узагальнення таке. Використовується у напівпровідниках.
Почитайте тут:
Джерело: Відсутність електрона в атомі напівпровідника умовно назвали діркою. Слід мати на увазі, що дірка - це не частка, а місце, що звільнилося після електрона. Дірка поводиться як елементарний позитивний (саме позитивний) заряд.

Відповідь від Helga[гуру]
Якщо напівпровідник чистий (без домішок), то він має власну провідність, яка невелика. Власна провідністьбуває двох видів:
1) електронна (провідність "n" - типу)
При низьких температурах у напівпровідниках всі електрони пов'язані з ядрами і великий опір; зі збільшенням температури кінетична енергіячастинок збільшується, руйнуються зв'язки та виникають вільні електрони – опір зменшується.
Вільні електрони переміщаються протилежно до вектора напруженості ел. поля.
Електронна провідність напівпровідників обумовлена ​​наявністю вільних електронів.
2) дірочна (провідність "p" - типу)
При збільшенні температури руйнуються ковалентні зв'язки, що здійснюються валентними електронами, між атомами і утворюються місця з недостатнім електроном - "дірка".
Вона може переміщатися по всьому кристалу, оскільки її місце може заміщатися валентними електронами. Переміщення "дірки" рівноцінно переміщенню позитивного заряду.
Переміщення дірки відбувається у напрямку вектора напруги електричного поля.

Відповідь від &Ъ[гуру]
Атом, у якого не вистачає електрона, якщо простіше.

Відповідь від Sc@r[Новичок]
немає такого поняття!

Відповідь від Ѕ.Забий[гуру]
Це місце в кристалічній решітці, де не вистачає електрона. Умовно прийнято вважати дірку позитивною, хоча насправді ніякого переміщення дірок немає – це електрони переміщуються, заповнюючи дірки. При цьому там, звідки електрон "утік", залишається дірка. У такий спосіб і створюється видимість "руху" позитивних носіїв - дірок, тобто.
Коротше, порожнечі у ґратах – це дірки, і вони притягують електрони. Тому дірки вважають позитивними

Чисті напівпровідники є відносно добрими діелектриками в порівнянні з металами, хоча і не настільки хорошими, як справжній діелектрик, наприклад скло. Щоб бути корисним у напівпровідникових застосуваннях, власний напівпровідник (чистий нелегований напівпровідник) повинен мати трохи більше одного атома домішки на 10 мільярдів атомів напівпровідника. Це аналогічно крупинці солі у залізничному вагоні цукру. Нечисті, або брудні напівпровідники є значно провіднішими, хоча й такими хорошими, як метали. Чому так відбувається? Щоб відповісти на це питання, ми маємо розглянути електронну структуруцих матеріалів малюнку нижче.

Малюнок нижче (a) показує 4 електрони у валентній оболонці напівпровідника, що утворюють ковалентні зв'язки з чотирма іншими атомами. Це плоска, простіша для малювання, версія малюнка, наведеного раніше. Усі електрони атома пов'язані у чотирьох ковалентних зв'язках, у парах загальних електронів. Електрони не можуть вільно переміщатися кристалічною решіткою. Таким чином, власні, чисті напівпровідники є відносно хорошими діелектриками в порівнянні з металами.

(a) Власний напівпровідник є діелектриком з повною електронною оболонкою.
(b) Тим не менш, теплова енергія може створити кілька пар електрон-дірка, що в результаті дасть слабку провідність.

Теплова енергіяіноді може звільняти електрон із кристалічної решітки, як показано на малюнку вище (b). Цьому електрону стає доступне пересування кристалічною решіткою. Коли електрон звільняється, він залишає в кристалічних ґратах порожнє місце з позитивним зарядом, відоме як дірка. Ця дірка не прикріплена до ґрат і може вільно ними переміщатися. Вільні електрон і дірка роблять свій внесок у рух електронів по кристалічній решітці. Тобто електрон вільний, доки він не потрапляє в дірку. Це називається рекомбінацією. При дії на напівпровідник зовнішнім електричним полем електрони та дірки розлучаються у протилежних напрямках. Збільшення температури збільшить і кількість електронів та дірок, що у свою чергу зменшить опір. Це протилежно до поведінки металів, у яких опір збільшується зі зростанням температури за рахунок збільшення зіткнень електронів з кристалічною решіткою. Кількість електронів і дірок у своєму напівпровіднику однакова. Тим не менш, обидва носії при дії зовнішнього полянеобов'язково рухатимуться з однаковою швидкістю. Іншими словами, рухливість у електронів та дірок неоднакова.

Чисті напівпровідники самі по собі не особливо корисні. Хоча напівпровідники і повинні бути в великого ступеняочищені від домішок для створення відправної точки перед додаванням певних домішок.

У матеріал напівпровідника, з часткою вмісту домішок 1 до 10 мільярдів, збільшення кількості носіїв можуть додаватися певні домішки у співвідношенні приблизно 1 частина на 10 мільйонів. Додавання до напівпровідника необхідної домішки відомо, як легування. Легування збільшує провідність напівпровідника, і, таким чином, він стає більш порівнянним з металом, а не діелектриком.

Можна збільшити кількість негативно заряджених носіїв у кристалічних ґратах напівпровідника шляхом легування таким електронним донором, як фосфор. Електронні донори, також відомі, як домішки N-типу, включають елементи групи VA (групи 15 по IUPAC) періодичної таблиці: азот, фосфор, миш'як та сурма. Азот та фосфор є домішкою N-типу для алмазу. Фосфор, миш'як і сурма використовуються разом із кремнієм.

Кристалічні грати на малюнку нижче (b) містить атоми, що містять чотири електрони у зовнішній оболонці, що формують ковалентні зв'язки з сусідніми атомами. Ця кристалічна решітка очікувана. Додавання атома фосфору з п'ятьма електронами у зовнішній оболонці вводить до ґрат додатковий електрон порівняно з атомом кремнію. П'ятивалентна домішка утворює чотири ковалентні зв'язки з чотирма атомами кремнію за допомогою чотирьох з п'яти електронів, вбудовуючись у ґрати з одним електроном у запасі. Зауважте, що цей зайвий електрон не дуже прив'язаний до ґрат, як електрони звичайних атомів Si. Будучи не прив'язаним до вузла фосфору в кристалічній решітці, він вільний для переміщення нею. Оскільки ми легували одну частину фосфору на 10 мільйонів атомів кремнію, порівняно з численними атомами кремнію було створено лише кілька вільних електронів. Тим не менш, у порівнянні з нечисленними парами електрон-дірка у власному напівпровіднику, у цьому випадку було створено чимало електронів.

Крім того, можна вводити домішки, у яких, порівняно з кремнієм, не вистачає електрона, тобто, які мають три електрони у валентній оболонці, порівняно з кремнієм з чотирма валентними електронами. На малюнку вище (c) вони залишають порожнє місце відоме як дірка, позитивно заряджений носій. Атом бору намагається зв'язатися із чотирма атомами кремнію, але у валентній зоні має лише три електрони. У спробі сформувати чотири ковалентні зв'язки три його електрони рухаються навколо, намагаючись утворити чотири зв'язки. Це змушує рухатися дірку, що з'являється. Крім того, тривалентний атом може займати електрон від сусіднього (або більш віддаленого) атома кремнію, щоб сформувати чотири ковалентні зв'язки. Однак це залишає атом кремнію з нестачею одного електрона. Іншими словами, дірка переміщається до сусіднього (або більш віддаленого) атома кремнію. Дірки розташовуються у валентній зоні, рівнем нижче за зону провідності. Легування електронним акцептором, атомом, який може прийняти електрон, створює дефіцит електронів та надлишок дірок. Так як дірки є носіями позитивного заряду, домішка електронного акцептора також відома як домішка P-типу. Легіруюча домішка P-типу залишає напівпровідник з надлишком дірок, носіїв позитивного заряду. Елементи P-типу групи IIIA (групи 13 по IUPAC) періодичної таблиці включають: бір, алюміній, галій та індій. Бор використовується як легуюча домішка P-типу для напівпровідників кремній та алмаз, в той час як індій використовується з германієм.

Подібно до "кульки в трубі" пересування електронів (рисунок нижче) залежить від руху дірок і руху електронів. Кулька являє собою електрони в провіднику, в трубі. Рух електронів ліворуч праворуч у провіднику або напівпровіднику N-типу пояснюється входом електрона в трубу ліворуч, змушуючи вийти електрон праворуч. Пересування електронів у напівпровіднику N-типу відбувається у зоні провідності. Порівняйте це з рухом дірок у валентній зоні.

Щоб дірка увійшла у лівій частині малюнка вище (b), електрон повинен бути видалений. При переміщенні дірки зліва направо електрон повинен рухатись праворуч наліво. Перший електрон викидається з лівого кінця труби, щоб дірка могла рухатися праворуч у трубу. Електрон рухається у напрямку, протилежному рухупозитивних дірок. Щоб дірка рухалася далі праворуч, електрони повинні переміщатися вліво, заповнюючи дірку. Дірка – це відсутність електрона у валентній зоні за рахунок легування P-типу. Вона має локальний позитивний заряд. Щоб перемістити дірку у заданому напрямку, валентні електрони рухаються у протилежному напрямку.

Потік електронів у напівпровіднику N-типу аналогічний руху електронів у металевому дроті. Атоми домішки N типу дадуть електрони, доступні для пересування. Ці електрони з-за легуючої домішки відомі як основні носії, оскільки вони перебувають у більшості, порівняно з нечисленними тепловими дірками. Якщо до пластини напівпровідника N-типу докласти електричне поле (рисунок нижче (a)), електрони перейдуть у негативний (лівий) кінець пластини, пройдуть кристалічні ґрати та вийдуть праворуч до клеми (+) батареї.

Пояснити протікання струму в напівпровіднику P-типу трохи складніше. Домішка P-типу, акцептор електронів, надає локальним областям позитивний заряд, відомий як дірки. Ці дірки є основними носіями в напівпровіднику P-типу. Хоча дірки і утворюються у місцях тривалентних атомів домішки, вони можуть переміщатися пластиною напівпровідника. Зверніть увагу, що включення батареї на малюнку вище (b) протилежне включенню на малюнку (a). Позитивне виведення батареї підключено до лівого кінця пластини P-типу. Потік електронів виходить із негативного виведення батареї і через пластину P-типу повертається до позитивного виведення батареї. Електрон залишає позитивний (лівий) кінець пластини напівпровідника, щоб позитивний виведення батареї залишив дірку напівпровідника, яка може рухатися вправо. Дірки проходять через кристалічну решітку зліва направо. У негативному кінці пластини електрон із батареї з'єднується з діркою, нейтралізуючи її. Це дозволяє іншій дірці в позитивному кінці пластини рухатися вправо. Майте на увазі, що коли дірки переміщаються зліва направо, це насправді електрони рухаються в протилежному напрямку, що робить видимим рухдірок.

Елементи, які використовуються для виробництва напівпровідників, наведено на малюнку нижче. Напівпровідниковий матеріал германій із групи IVA (14 по IUPAC) зараз використовується досить обмежено. Напівпровідники з урахуванням кремнію становлять близько 90% всього промислового виробництва напівпровідників. Напівпровідники на основі алмазу зараз широко досліджуються і мають значний потенціал. Складові напівпровідники включають кремній-германій (тонкі шари на пластинах Si), карбід кремнію і з'єднання груп III-Vнаприклад, арсенід галію. Напівпровідникові з'єднання груп III-VI включають AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, Al x Ga 1-x As і In x Ga 1-x As. Стовпці II і VI періодичної таблиці, не показані малюнку, також формують складові напівпровідники.

Основною причиною включення груп IIIA і VA на малюнок вище є можливість показати домішки, що використовуються групою напівпровідників IVA. Елементи групи IIIA є акцепторами, домішками P-типу, які приймають електрони, залишаючи дірки (позитивні носії) у кристалічній решітці. Бор є домішкою P-типу для алмазу та найпоширенішою домішкою для кремнієвих напівпровідників. Індій є домішкою P-типу для германію.

Елементи групи VA є донорами, домішками N типу, що дають вільний електрон. Азот і фосфор підходять як домішка N-типу для алмазу. Фосфор і миш'як є найбільш використовуваними домішками N-типу кремнію, хоча може використовуватися і сурма.

Підсумки

Власні напівпровідники, максимальна частка домішок у яких становить 1 на 10 мільярдів, є поганими провідниками.

Напівпровідник N-типу легується пятивалентной домішкою, щоб створити вільні електрони. Такий матеріал є провідним. Електрон у ньому є основним носієм.

Напівпровідник P-типу, легований тривалентною домішкою, має безліч вільних дірок. Це носії позитивного заряду. Матеріал P-типу є провідним. Дірки у ньому є основними носіями.

Більшість напівпровідників засновані на елементах групи IVA періодичної таблиці. Причому кремній є найпоширенішим, германій застарів, а вуглець (алмаз) нині досліджується.

Широко використовуються і складові напівпровідники, такі як карбід кремнію (група IVA) та арсенід галію (група III-V).

🕗24.05.2008 р. | 🙋 | 👀27 775 | ✍️0

Ця стаття в основному призначена для тих, хто тільки-но розпочав перші кроки в галузі радіотехніки, але може бути корисна і досвідченим радіоаматорам або студентам.

У першій частині статті пояснюються процеси, які у напівпровідниках на атомному рівні, розписуються такі поняття, як валентна зона, зона провідності, власна електропровідністьта інші.
Інші п'ять частин поступово викладатимуться в розділ "Початківцям".

Структура та енергетичні діаграми чистого напівпровідника

У виробництві напівпровідникових приладів найбільшого поширенняотримали такі матеріали, як германій та кремній. Вони мають кристалічну структурута розташовані у IV групі таблиці Менделєєва.

Усі речовини складаються з атомів. Атом включає позитивно заряджене ядро ​​та електрони, що обертаються навколо нього по орбітах з певним радіусом.

Енергію електронів атома можна у вигляді діаграми (рис. 3.1, а). Як видно з малюнка, електрони в атомі можуть мати лише значення енергій, рівними W1, W2, W3, W4, і не можуть мати проміжних рівнів.

Електрони, що обертаються на зовнішніх оболонках, Називаються валентними. Встановлено, що в атомі будь-якої речовини однакова енергія може бути не більше ніж у двох електронів. Іншими словами, на одному енергетичному рівні може бути не більше двох електронів. Оскільки в речовині міститься велика кількістьатомів, внаслідок їхньої взаємодії енергетичні рівні електронів, що обертаються по однакових орбітах, зміщуються щодо енергетичних рівнів цих електронів в окремому «ізольованому» атомі. В результаті утворюються цілі енергетичні зони, що складаються із близько розташованих енергетичних рівнів. Енергетичні рівні, утворені валентними електронами, називають валентною зоною(Рис. 3.1, б).

Утворення вільних електронів та дірок у напівпровіднику

Між атомами в кристалі напівпровідника є ковалентні зв'язки. Ковалентний зв'язок утворюється за рахунок обертання двох електронів, що належать двом поряд розташованим атомам, по одній загальній орбіті (рис. 3.2, а). Німеччин та кремній є чотиривалентними елементами, та їх атоми мають по 4 валентні електрони. В результаті утворення парних ковалентних зв'язків усі атоми германію та кремнію виявляються взаємопов'язаними. Плоскі моделі кристалічних ґратчистого германію Ge та кремнію Si зображені на рис. 3.2 б. На цьому малюнку парні ковалентні зв'язки показані двома паралельними лініями, що з'єднують два сусідні атоми, а електрони, що утворюють ці зв'язки, - у вигляді чорних точок.

При повідомленні електрону додаткової енергії ковалентний зв'язок може порушитись і він стане вільним.
Місце на зовнішній орбіті атома, де раніше був електрон, називають діркою. На енергетичній діаграмі дірці відповідає вільний енергетичний рівеньу валентній зоні, з якого електрон перейшов до зони провідності (рис. 3.2, г).

Утворення вільних електронів у зоні провідності та дірок у валентній зоні називають генерацією рухомих носіїв заряду, або генерацією пар електрон – дірка, оскільки поява вільного електрона у зоні провідності обов'язково супроводжується появою дірки у валентній зоні.

Вільний електрон може, втрачаючи частину своєї енергії, із зони провідності перейти у валентну зону, заповнивши собою одну з дірок, що є в ній. При цьому відновлюється ковалентний зв'язок. Цей процес називають рекомбінацією. Таким чином, рекомбінація завжди супроводжується втратою пари електрон-дірка.

Електронний та дірковий струми в напівпровідниках

Напівпровідники, які складаються тільки з атомів германію або кремнію, називають чистими або власними, а електропровідність (здатність проводити електричний струм), обумовлену наявністю вільних електронів і дірок, - власноїелектропровідністю.

Домішні напівпровідники n-типу

При внесенні в германій або кремній п'ятивалентних елементів (фосфору Р, миш'яку As, сурми Sb та ін.) чотири валентні електрони домішкових атомів утворюють стійкі ковалентні зв'язки з атомами основної речовини. П'яті валентні електрони домішкових атомів виявляються ніби зайвими, вони слабко пов'язані з атомами, і достатньо теплової енергії, яку він повідомляє при кімнатній температурі, щоб вони змогли відірватися від атомів і стати вільними. При цьому домішковий атом перетворюється на позитивний іон.

Поява вільних електронів не супроводжується додатковими руйнуваннямиковалентних зв'язків, а навпаки, деякі дірки «зникають», рекомбінуючи (відновлюючи зв'язок) із вільними електронами. Отже, у таких напівпровідниках вільних електронів значно більше, ніж дірок, і перебіг струму через напівпровідник буде в основному визначитися рухом електронів і дуже малою мірою - рухом дірок. Це напівпровідники n-типу (від латинського слова negative-негативний), домішки ж називають донорами. Енергетична діаграма напівпровідника n-типу наведено на рис. 3.3 а.

Домішні напівпровідники р-типу

Енергетична діаграма домішкового напівпровідника р-типу наведено на рис. 3.3 б.
Рухомі носії електричного заряду, які переважають у напівпровіднику даного типу, Називаються основними, інші - неосновними. У напівпровіднику n-типу основними носіями заряду є електрони, а неосновними – дірки, у напівпровіднику р-типу, навпаки, дірки – основні носії, а електрони – неосновні.