Напівпровідники визначення. Як відбувається утворення переходу

Свою назву напівпровідники отримали від того, що вони займають проміжне місце між провідниками (метали, електроліти, вугілля), що мають велику електропровідність, та ізолятори (порцеляна, слюда, гума та інші), які майже не проводять електричного струму.

Якщо порівняти питомий об'ємний опір Ом × см для різних речовин, то виявиться, що провідники мають: ρ U= 10 -6 - 10 -3 Ом × см; питомий опір напівпровідників: ρ U= 10 -3 - 10 8 Ом × см; а у діелектриків: ρ U= 10 8 - 10 20 Ом × див. До напівпровідників відносяться: оксиди металів - оксиди (Al 2 O 3 , Cu 2 O, ZnO, TiO 2 , VO 2 , WO 2 , MoO 3); сірчисті сполуки - сульфіди (Cu 2 S, Ag 2 S, ZnS, CdS, HgS); з'єднання з селеном – селеніди; з'єднання з телуром – телуриди; деякі сплави (MgSb 2 , ZnSb, Mg 2 Sb, CdSb, AlSb, ClSb); хімічні елементи - германій, кремній, телур, селен, бір, вуглець, сірка, фосфор, миш'як, а також велика кількість складних сполук (гален, карборунд та інші).

Малюнок 1. Німеччина

Малюнок 2. Кремній

Малюнок 3. Теллур

Повне та широке дослідження властивостей напівпровідників виконано радянським ученим А. Ф. Іоффе та його співробітниками.

Електричні властивості напівпровідників різко відрізняються від властивостей провідників та ізоляторів. Електропровідність провідників сильно залежить від температури, освітленості, наявності та інтенсивності електричного поля, кількості домішок. При звичайній температурі в напівпровідниках є кілька вільних електронів, що утворилися внаслідок розриву електронних зв'язків. У напівпровідників розрізняють два види провідності: електронну та дірочну. Носіями заряду в напівпровідниках при електронній провідності є вільні електрони, а при дірковому зв'язку, позбавлені електронів.

Розглянемо наступний досвід. Візьмемо металевий провідник і будемо нагрівати його кінець, тоді нагрітий кінець провідника отримає позитивний заряд. Це пояснюється переміщенням електронів від гарячого кінця до холодного, у результаті чого на гарячому кінці провідника виходить недолік електронів (позитивний заряд), але в холодному кінці надлишок електронів (негативний заряд). Короткочасне протікання струму провідником було викликано переміщенням електронів з одного краю провідника на інший. Таким чином, тут йдеться про провідника з електронною провідністю. Однак існують речовини, які за такого досвіду поводяться інакше: нагрітий край такої речовини отримує негативний заряд, а холодний край - позитивний заряд. Це можливо, якщо припустити, що перенесення струму здійснюється позитивними зарядами.

Рисунок 4. Зв'язок між атомами речовини

Малюнок 5. Власна провідність напівпровідників

Малюнок 6. Електронна провідність напівпровідника

Малюнок 7. Діркова провідність напівпровідника

Познайомимося з іншим видом провідності у напівпровідників – дірковою провідністю. У чистих напівпровідниках всі електрони, що слабко пов'язані з ядрами, беруть участь в електронних зв'язках. На малюнку 4, аумовно показано заповнений зв'язок між атомами речовини. "Діркою" називається елемент кристалічної решітки речовини, що втратив електрон, що відповідає появі позитивного заряду (рисунок 4, б).

Зв'язок, що звільнився, може знову виявитися заповненим, якщо "дірка" захопить електрон із сусіднього зв'язку (рисунок 4, в). Це спричинить перехід "дірки" на нове місце. У речовині напівпровідника, що знаходиться в нормальних умовах, напрямок вильоту електронів і місце утворення "дірки" носять хаотичний характер. Якщо до чистого напівпровідника прикласти постійну напругу, то електрони та дірки будуть переміщатися (перші проти напряму сил поля, другі в протилежному напрямку). Якщо число утворюються "дірок" дорівнюватиме кількості електронів, що звільнилися, то, як це буває у чистих напівпровідників, провідність напівпровідників невелика (власна провідність). Наявність навіть не великої кількостісторонніх домішок може змінити механізм електропровідності: зробити його електронним чи дірковим. Розглянемо конкретний приклад. Як напівпровідник візьмемо германій (Ge). У кристалі германію кожен атом пов'язані з чотирма іншими атомами. При збільшенні температури або внаслідок опромінення парні зв'язки кристала можуть бути порушені. При цьому утворюється рівна кількість електронів і дірок (рисунок 5).

Додамо до Німеччини як домішку миш'як. Така домішка має велику кількість слабозв'язаних електронів. Атоми домішки мають свій енергетичний рівень, що розташовується між енергетичними рівнями вільної та заповненої зон, ближче до останньої (рисунок 6). Подібні домішки віддають свої електрони у вільну зону та називаються донорними домішками. У напівпровіднику виявиться наявність вільних електронів, тоді як усі зв'язки будуть заповнені. Напівпровідник матиме електронну провідність у вільній зоні.

Якщо тепер як домішка до германію додасть не миш'як, а індій, то станеться таке. Така домішка має невелику кількість слабко пов'язаних електронів, а енергетичний рівень домішки розташовується між енергетичними рівнями вільної та заповненої зон, ближче до вільної зони (рисунок 7). Домішки цього роду приймають у свою зону електрони із сусідньої заповненої зони та називаються акцепторними домішками. У напівпровіднику виявляться незаповнені зв'язки - "дірки" за відсутності вільних електронів. Напівпровідник матиме дірочну провідність у заповненій зоні.

Тепер стане зрозумілим досвід нагрівання напівпровідника, коли нагрітий кінець отримував негативний заряд, а холодний кінець – позитивний заряд. Під дією тепла на гарячому кінці почнуть руйнуватися зв'язки, виникнуть "дірки" та вільні електрони. Якщо напівпровідник містить домішки, то дірки почнуть переходити до холодного кінця, заряджаючи його позитивно, а нагрітий кінець напівпровідника зарядиться негативно.

Закінчуючи розгляд напівпровідників, робимо такий висновок.

Додаванням до напівпровідника домішок можна надати йому переважну електронну або діркову провідність. Виходячи з цього отримують наступні типи напівпровідників. Напівпровідники з електронною провідністю називають напівпровідниками n-типу (негативні), а з дірковою провідністю - p-Типу (позитивні).

Пропонуємо вам також переглянути навчальні відео-фільми про напівпровідників:

List=PL_QCOTUIndSFAbWcR3t0wYp5IORVEHu3I

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 положення між провідниками та діелектриками. Це напівпровідники: їх питомий опір при кімнатній температурі може набувати значень дуже широкому діапазоні Ом·м. До напівпровідників відносяться кремній, германій, селен, деякі інші хімічні елементи та сполуки (напівпровідники надзвичайно поширені в природі. Наприклад, близько 80% маси земної кори припадає на речовини, що є напівпровідниками). Найбільш широко застосовуються кремній та германій.

Головна особливість напівпровідників 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 за його нагріванні свідчить, що підвищення температури призводить до збільшення кількості вільних зарядів у напівпровіднику. У металах нічого такого немає; отже, напівпровідники мають інший механізм електропровідності, ніж метали. І причина цього – різна природа хімічного зв'язку між 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 рівні та 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 валентні електрони. 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 частину часу 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 поля розпочати впорядкований рух від меншого потенціалу до більшого. Тому за досить низьких температур напівпровідники близькі до діелектриків - вони не проводять електричний струм.

Власна провідність

Якщо включити в електричний ланцюг напівпровідниковий елемент і почати його нагрівати, 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 більше ковалентних зв'язків не витримує і 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 умов зміщує 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 за нормальних умов мала 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 таке широке застосування в 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 створенні струму тепер належить вільним електронам, які у разі називаються 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 дуже великою енергією зв'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 домішка, то число дірок, породжених домішкою, буде набагато більше від кількості вільних 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 відіграють головну роль при 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 типами провідності (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.

В результаті цих процесів в електронному напівпровіднику біля межі контакту залишається некомпенсований заряд позитивних іонів донорної домішки, а в дірочному напівпровіднику (також поблизу кордону) виникає некомпенсований негативний заряд іонів акцепторної домішки. Ці некомпенсовані об'ємні заряди утворюють 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 у 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 з огляду на дуже малу концентрацію неосновних носіїв створюваний ними струм дуже 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; у протилежному напрямку струм через діод не проходить (діод, як то 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.

Напівпровідникові прилади, що мають ряд властивостей, які роблять їх застосування кращим перед вакуумними приладами, все ширше використовуються в електронній техніці. Останніми роками, які характеризуються прогресом у напівпровідникової електроніці, розробляються прилади нових фізичних принципах.

До напівпровідників відносять багато хімічних елементів, такі, як кремній, германій, індій, фосфор та ін, більшість оксидів, сульфідів, селенідів і телуридів, деякі сплави, ряд мінералів. За словами академіка А. Ф. Іоффе, "напівпровідники - це майже весь навколишній неорганічний світ".

Напівпровідники бувають кристалічні, аморфні та рідкі. У напівпровідникової техніці зазвичай використовують лише кристалічні напівпровідники (монокристали з домішками трохи більше одного атома домішки на 1010 атомів основної речовини). Зазвичай до напівпровідників відносять речовини, що за питомою електричною провідністю займають проміжне положення між металами та діелектриками (звідси походження їх назви). При кімнатній температурі питома електрична провідність становить від 10-8 до 105 См/м (для металів - 106-108 См/м, для діелектриків - 10-8-10-13 См/м). Основна особливість напівпровідників – зростання питомої електричної провідності у разі підвищення температури (для металів вона падає). Електропровідність напівпровідників значно залежить від зовнішніх впливів: нагрівання, опромінення, електричного та магнітного полів, тиску, прискорення, а також від вмісту незначної кількості домішок. Властивості напівпровідників добре пояснюються за допомогою зонної теорії твердого тіла.

Атоми всіх речовин складаються з ядра та електронів, що рухаються по замкнутій орбіті навколо ядра. Електрони в атомі групуються оболонки. У основних напівпровідників, що використовуються для створення напівпровідникових приладів - кремнію та германію, кристалічні грати тетраедричні (має форму правильної трикутної піраміди) (рис. 16.1). Проекція структури Ge на площину показано на рис. 16.2. Кожен валентний електрон, тобто електрон, що знаходиться на зовнішній, незаповненій оболонці атома, в кристалі належить не тільки своєму, а й ядру сусіднього атома. Усі атоми в кристалічній решітці розташовані на однаковій відстані один від одного і пов'язані ковалентними зв'язками (ковалентним називається зв'язок між парою валентних електронів двох атомів, на рис. 16.2 вона показана двома лініями). Ці зв'язки є міцними; щоб їх розірвати, потрібно ззовні додати енергію.

Енергія електрона W дискретна, або квантована, тому електрон може рухатися лише за тією орбітою, що відповідає його енергії. Можливі значення енергії електрона можна на діаграмі енергетичними рівнями (рис. 16.3). Чим більша віддалена орбіта від ядра, тим більша енергія електрона і тим вищий його енергетичний рівень. Енергетичні рівні розділені зонами II, які відповідають забороненій енергії для електронів (заборонені зони). Так як у твердому тілі сусідні атоми знаходяться дуже близько один від одного, це викликає зміщення та розщеплення енергетичних рівнів, внаслідок чого утворюються енергетичні зони, які називаються дозволеними (I, III, IV на рис. 16.3). Ширина дозволених зон зазвичай дорівнює декільком електрон-вольтам. В енергетичній зоні число дозволених рівнів дорівнює числу атомів у кристалі. Кожна дозволена зона займає певну область енергії та характеризується мінімальним та максимальним рівнями енергії, які називаються відповідно дном та стелею зони.

Дозволені зони, в яких відсутні електрони, називаються вільними (I). Вільна зона, в якій при температурі 0 К електронів немає, а при більш високій температурі вони можуть знаходитися в ній, називається зоною провідності.

Вона знаходиться вище валентної зони (III) – верхньої із заповнених зон, у яких усі енергетичні рівні зайняті електронами при температурі 0 К.

У зонній теорії підрозділ твердих тіл на метали, напівпровідники та діелектрики заснований на ширині забороненої зони між валентною зоною та зоною провідності та ступеня заповнення дозволених енергетичних зон (рис. 16.4). Ширина забороненої зони ΔWa називається енергією активації власної електропровідності. Для металу ΔWa = 0 (рис. 16.4 а); умовно при ΔWa ≤ 2 еВ кристал є напівпровідником (рис. 16.4,6), при ΔWa ≥ 2 еВ - діелектриком (рис. 16.4, в). Так як у напівпровідників значення ΔWa порівняно невелике, достатньо повідомити електрону енергію, порівнянну з енергією теплового руху, щоб він перейшов з валентної зони в зону провідності. Цим пояснюється особливість напівпровідників – збільшення електропровідності у разі підвищення температури.

Електропровідність напівпровідників. Власна електропровідність. Для того, щоб речовина мала електропровідність, вона повинна містити вільні носії заряду. Такими носіями заряду у металах є електрони. У напівпровідниках - електрони та дірки.

Розглянемо електропровідність власних напівпровідників (i-тип), тобто таких речовин, в яких не містяться домішок і немає структурних дефектів кристалічної решітки (порожніх вузлів, зсувів решітки та ін.). При температурі 0 К у такому напівпровіднику вільних носіїв заряду немає. Однак з підвищенням температури (або при іншому енергетичному впливі, наприклад, освітленні) частина ковалентних зв'язків може бути розірвана і валентні електрони, ставши вільними, можуть уникнути свого атома (рис. 16.5). Втрата електрона перетворює атом на позитивний іон. У зв'язках тому місці, де раніше був електрон, з'являється вільне ( " вакантне " ) місце - дірка. Заряд дірки позитивний і за абсолютним значенням дорівнює заряду електрона.

Вільне місце - дірку - може заповнити валентний електрон сусіднього атома, на місці якого в ковалентному зв'язку утворюється нова дірка, і т. д. Таким чином, одночасно з переміщенням валентних електронів переміщатимуться і дірки. При цьому слід мати на увазі, що в кристалічній решітці атоми жорстко закріплені у вузлах. Відхід електрона з атома призводить до іонізації, а подальше переміщення дірки означає почергову іонізацію "нерухомих" атомів. Якщо електричне поле відсутнє, електрони провідності здійснюють хаотичний тепловий рух. Якщо напівпровідник помістити у зовнішнє електричне поле, то електрони та дірки, продовжуючи брати участь у хаотичному тепловому русі, почнуть переміщатися (дрейфувати) під дією поля, що створить електричний струм. При цьому електрони переміщуються проти напрямку електричного поля, а дірки, як позитивні заряди, - у напрямку поля. Електропровідність напівпровідника, що виникає за рахунок порушення ковалентних зв'язків, називається власною електропровідністю.

Електропровідність напівпровідників можна пояснити і з допомогою зонної теорії. Відповідно до неї всі енергетичні рівні валентної зони при температурі 0 К зайняті електронами. Якщо електронам повідомити ззовні енергію, що перевищує енергію активації ΔWa, частина валентних електронів перейде в зону провідності, де вони стануть вільними, або електронами провідності. Внаслідок відходу електронів з валентної зони в ній утворюються дірки, число яких, природно, дорівнює числу електронів, що пішли. Дірки можуть бути зайняті електронами, енергія яких відповідає енергії рівнів валентної зони. Отже, у валентній зоні переміщення електронів викликає переміщення у протилежному напрямку дірок. Хоча у валентній зоні переміщуються електрони, зазвичай зручніше розглядати рух дірок.

Процес утворення пари "електрон провідності – дірка провідності" називається генерацією пари носіїв заряду (1 на рис. 16.6). Можна сміливо сказати, що власна електропровідність напівпровідника - це електропровідність, викликана генерацією пар " електрон провідності - дірка провідності " . Електронно-діркові пари, що утворилися, можуть зникнути, якщо дірка заповнюється електроном: електрон стане невільним і втратить можливість переміщення, а надмірний позитивний заряд іона атома виявиться нейтралізованим. При цьому одночасно зникають і дірка та електрон. Процес возз'єднання електрона та дірки називається рекомбінацією (2 на рис. 16.6). Рекомбінацію відповідно до зонної теорії можна розглядати як перехід електронів із зони провідності на вільні місця у валентну зону. Зазначимо, що перехід електронів з більш високого енергетичного рівня на нижчий супроводжується вивільненням енергії, яка або випромінюється у вигляді квантів світла (фотони), або передається кристалічним ґратам у вигляді теплових коливань (фонони). Середній час існування пари носіїв заряду називається часом життя носіїв заряду. Середня відстань, яку проходить носій заряду за час життя, називається дифузійною довжиною носія заряду (Lр - для дірок, Ln - для електронів).

При постійній температурі (і за відсутності інших зовнішніх впливів) кристал перебуває у стані рівноваги: ​​число генерованих пар носіїв заряду дорівнює числу рекомбінованих пар. Число носіїв заряду в одиниці об'єму, тобто їх концентрація визначає значення питомої електричної провідності. Для напівпровідника концентрація електронів ni дорівнює концентрації дірок pi (ni = pi).

Домішка електропровідність. Якщо в напівпровідник внести домішок, він матиме крім власної електропровідності ще й домішкової. Домішна електропровідність може бути електронною або дірковою. Як приклад розглянемо випадок, коли чистий германій (чотиривалентний елемент) вводиться домішка пятивалентного елемента, наприклад миш'яку (рис. 16.7, а). Атом миш'яку зв'язується в кристалічній решітці германію ковалентними зв'язками. Але у зв'язку можуть брати участь лише чотири валентні електрони миш'яку, а п'ятий електрон виявляється "зайвим", менш сильно пов'язаним з атомом миш'яку. Для того щоб цей електрон відірвати від атома, потрібно значно менше енергії, тому вже при кімнатній температурі може стати електроном провідності, не залишаючи при цьому в ковалентному зв'язку дірки. Таким чином, у вузлі кристалічних ґрат з'являється позитивно заряджений іон домішки, а в кристалі - вільний електрон. Домішки, атоми яких віддають вільні електрони, називаються донорними (донорами).

На рис. 16.7 б показана діаграма енергетичних зон напівпровідника з донорною домішкою. У забороненій зоні поблизу дна зони провідності створюється дозволений енергетичний рівень (домішковий, донорний), на якому при температурі, близької до 0 К, розташовуються "зайві" електрони. Для перекладу електрона з домішкового рівня зону провідності потрібно менше енергії, ніж перекладу електрона з валентної зони. Відстань від донорного рівня до дна зони провідності називається енергією іонізації (активації) донорів Wіd.

Внесення до напівпровідника донорної домішки істотно збільшує концентрацію вільних електронів, а концентрація дірок залишається такою ж, якою вона була у власному напівпровіднику. У такому домішковому напівпровіднику електропровідність обумовлена ​​переважно електронами, її називають електронною, а напівпровідники - напівпровідниками n-типу. Електрони в напівпровідниках n-типу є основними носіями заряду (їхня концентрація висока), а дірки - неосновними.

Якщо в германій ввести домішка тривалентного елемента (наприклад, індію), то для утворення восьмиелектронного ковалентного зв'язку з германієм не вистачить одного електрона. Один зв'язок залишиться незаповненим. При незначному підвищенні температури в незаповнений валентний зв'язок може перейти електрон сусіднього атома германію, залишивши на своєму місці дірку (рис. 16.8 а), яка може бути заповнена електроном і т. д. Таким чином, дірка як би переміщається в напівпровіднику. Домішковий атом перетворюється на негативний іон. Домішки, атоми яких здатні при збудженні прийняти валентні електрони сусідніх атомів, створивши в них дірку, називають акцепторними або акцепторами.

На рис. 16.8 б показана діаграма енергетичних зон напівпровідника з акцепторною домішкою. У забороненій зоні поблизу стелі валентної зони створюється домішковий енергетичний рівень (акцепторний). При температурах, близьких до 0 К, цей рівень вільний, при підвищенні температури може бути зайнятий електроном валентної зони, в якій після відходу електрона утворюється дірка. Відстань від стелі валентної зони до рівня акцептора називається енергією іонізації (активації) акцепторів ΔWіa. Внесення до напівпровідника акцепторної домішки істотно збільшує концентрацію дірок, а концентрація електронів залишається такою ж, якою вона була у власному напівпровіднику. У цьому домішковому напівпровіднику електропровідність обумовлена ​​переважно дірками, її називають дірковою, а напівпровідники - напівпровідниками р-типу. Дірки для напівпровідника р-типу – основні носії заряду, а електрони – неосновні.

У домішкових напівпровідниках поряд із домішковою електропровідністю існує і власна, обумовлена ​​наявністю неосновних носіїв. Концентрація неосновних носіїв у домішковому напівпровіднику зменшується в стільки разів, скільки збільшується концентрація основних носіїв, тому для напівпровідників n-типу справедливе співвідношення nnpn = nipi = ni2 = pi2 , а для напівпровідників р-типу - співвідношення ppnp = ni2 = pi2 , де nn pn - концентрація основних, a pp і np - концентрація неосновних носіїв заряду відповідно в напівпровіднику n і р-типу.

Питома електрична провідність домішкового напівпровідника визначається концентрацією основних носіїв і тим вище, що більша їх концентрація. Насправді часто зустрічається випадок, коли напівпровідник містить і донорні, і акцепторні домішки. Тоді тип електропровідності визначатиметься домішкою, концентрація якої вища. Напівпровідник, у якого концентрації донорів Nd та акцепторів Na дорівнюють (Nd = Na)), називають скомпенсованим.

Перелічимо найважливіші застосування напівпровідників:

1) напівпровідникові діоди та тріоди з великим успіхом заміняють електронні лампи, оскільки вони більш економічні, компактні, відрізняються простотою пристрою, надійністю, механічною міцністю та великим терміном роботи. Застосовувані в електро- та радіотехніці селенові випрямлячі мають к. п. д. до 70%, германієві – до 98%. Є випрямлячі, що працюють за високих температур. Напівпровідникові тріоди мають к. п. д. до 50% (тоді як у електронних вакуумних ламп - близько 1%). Напівпровідникові прилади використовують мало енергії і вимагають для живлення низьку (порівняно з електронними лампами) напругу, тому необхідні їм джерела живлення можуть мати дуже малі габарити. Це дозволило вирішити низку важливих завдань радіотехніки (створення мініатюрних радіоприймачів та передавачів та ін.);

2) фотоопору - напівпровідники (селен, сірчисті кадмій та свинець та ін.), у яких електричний опір різко зменшується при опроміненні їх світлом, ультрафіолетовими, рентгенівськими та іншими променями; вони використовуються для вимірювання світлових потоків, освітленості, відтворення звуку, записаного на кіноплівку в різних пристроях контролю, сигналізації, автоматичного регулювання і т. д. Є фотоопір, чутливі до інфрачервоного випромінювання;

3) термістори - напівпровідники (суміші оксидів різних металів: магнію, нікелю, титану та ін), у яких електричний опір сильно залежить від температури; вони застосовуються для вимірювання температур (у таких умовах, за яких інші способи не застосовні: хімічно активне середовище, наявність вібрацій, необхідність дуже малих розмірів датчика та ін.), для автоматичного регулювання температури, як обмежувачі початкового значення сили струму в пускових пристроях і т. д.;

4) варистори - напівпровідники (карбід кремнію та ін), у яких електричний опір сильно залежить від напруженості прикладеного електричного поля; застосовуються захисту електричних ланцюгів від нерегулярних високих перенапруг, наприклад від грозових розрядів.

В електричних печах замість дорогих і недовговічних металевих спіралей використовуються стрижні з тугоплавких напівпровідників, що допускають нагрівання до 1300° С. Термоелементи, складені з двох напівпровідників з -проводимостями, мають

більш високе значення коефіцієнта термоелектрорушійної сили. Вони можуть бути використані як перетворювачі теплоти безпосередньо в електричну енергію (з к. п. д., що доходить до 10%), а також при використанні ефекту Пельтьє, для охолодження (напівпровідникові термоелектрогенератори і холодильники).

При вивченні теплових явищ говорилося, що за здатністю проводити теплоту речовини поділяються на добрі та погані провідники тепла.

За здатністю передавати електричні заряди речовини також поділяються на кілька класів: провідники, напівпровідникиі непровідникиелектрики.

Провідниками називають тіла, якими електричні заряди можуть переходити від зарядженого тіла до незарядженого.

Хороші провідники електрики - це метали, ґрунт, вода з розчиненими в ній солями, кислотами чи лугами, графіт. Тіло людини також проводить електрику. Це можна знайти на досвіді. Доторкнемося до зарядженого електроскопа рукою. Листочки відразу опустяться. Заряд з електроскопа йде нашим тілом через підлогу кімнати в землю.

а – залізо; б - графіт

З металів найкращі провідники електрики – срібло, мідь, алюміній.

Непровідниками називають такі тіла, якими електричні заряди що неспроможні переходити від зарядженого тіла до незарядженого.

Непровідниками електрики, або діелектриками, є ебоніт, бурштин, фарфор, гума, різні пластмаси, шовк, капрон, олії, повітря (гази). Виготовлені з діелектриків тіла називають ізоляторами (від італ. ізоляро - усамітнювати).

а – бурштин; б - порцеляна

Напівпровідниками називають тіла, які за здатністю передавати електричні заряди займають проміжне положення між провідниками та діелектриками.

У природі напівпровідники поширені досить широко. Це оксиди та сульфіди металів, деякі органічні речовини та ін. Найбільше застосування в техніці знайшли германій та кремній.

Напівпровідники за низької температури не проводять електричний струм і є діелектриками. Однак при підвищенні температури в напівпровіднику починає різко збільшуватись кількість носіїв електричного заряду, і він стає провідником.

Чому це відбувається? У напівпровідників, таких як кремній і германій, у вузлах кристалічних ґрат атоми коливаються біля своїх положень рівноваги, і вже при температурі 20 °С цей рух стає настільки інтенсивним, що хімічні зв'язки між сусідніми атомами можуть розірватися. При подальшому підвищенні температури валентні електрони (електрони, що знаходяться на зовнішній оболонці атома) атомів напівпровідників стають вільними і під дією електричного поля в напівпровіднику виникає електричний струм.

Характерною особливістю напівпровідників є зростання їх провідності із підвищенням температури. У металів при підвищенні температури провідність зменшується.

Здатність напівпровідників проводити електричний струм виникає також при дії на них світла, потоку швидких частинок, введенні домішок та ін.

а – германій; б-кремній

Зміна електропровідності напівпровідників під дією температури дозволило застосовувати їх як термометри для вимірювання температури навколишнього середовища, широко застосовують у техніці. З його допомогою контролюють та підтримують температуру на певному рівні.

Підвищення електропровідності речовини під впливом світла зветься фотопровідність. Засновані на цьому явищі прилади називають фотоопірами. Фотоопіри застосовуються для сигналізації та в управлінні виробничими процесами на відстані, сортуванні виробів. З їхньою допомогою в екстрених ситуаціях автоматично зупиняються верстати та конвеєри, попереджаючи нещасні випадки.

Завдяки дивовижним властивостям напівпровідників вони широко використовуються при створенні транзисторів, тиристорів, напівпровідникових діодів, фоторезисторів та іншої складної апаратури. Застосування інтегральних мікросхем у теле-, радіо- та комп'ютерних приладах дозволяє створювати пристрої невеликих, а часом і мізерно малих розмірів.

Запитання

1. На які групи ділять речовини наскільки можна передавати електричні заряди?
2. Який характерною особливістюмають напівпровідники?
3. Перелічіть сфери застосування напівпровідникових приладів.

Вправа 22

1. Чому заряджений електроскоп розряджається, якщо його кулька торкнутися рукою?
2. Чому стрижень електроскопа виготовляють із металу?
3. До кульки незарядженого електроскопа підносять тіло, позитивно заряджене, не торкаючись його. Який заряд виник на листочках електроскопа?

Це цікаво...

Здатність тіла до електризації визначається наявністю вільних зарядів. У напівпровідниках концентрація носіїв вільного заряду зростає із зростанням температури.

Провідність, що здійснюється вільними електронами (рис. 43), називається електронною провідністю напівпровідникаабо провідністю n-типу (від латів. negativus – негативний). При відриві електронів від атомів германію у місцях розриву утворюються вільні місця, які зайняті електронами. Ці вакансії отримали назву «дірки». В галузі утворення дірки виникає надлишковий позитивний заряд. Вакантне місце може бути зайнятим іншим електроном.

Електрон, переміщаючись у напівпровіднику, створює можливість заповнення одних дірок та утворення інших. Виникнення нової дірки супроводжується появою вільного електрона, тобто йде безперервне утворення пар електрон - дірка. У свою чергу заповнення дірок призводить до зменшення кількості вільних електронів. Якщо кристал помістити в електричне поле, відбуватиметься переміщення як електронів, а й дірок. Напрямок переміщення дірок протилежний напрямку руху електронів.

Провідність, що виникає внаслідок переміщення дірок у напівпровіднику, називається дірковою провідністюабо провідністю р-типу (від латів. positivus – позитивний). Напівпровідники поділяють на чисті напівпровідники, домішкові напівпровідники n-типу, домішкові напівпровідники р-типу.

Чисті напівпровідникимають власну провідність. У створенні струму беруть участь вільні заряди двох типів: негативні (електрони) та позитивні (дірки). У чистому напівпровіднику концентрація вільних електронів та дірок однакова.

При введенні до напівпровідника домішок виникає домішкова провідність. Змінюючи концентрацію домішки, можна змінювати і кількість носіїв заряду тієї чи іншої знака, т. е. створювати напівпровідники з переважною концентрацією негативного чи позитивного заряду. Домішні напівпровідники n-типумають електронну провідність. Основними носіями заряду є електрони, а неосновними – дірки.

Домішні напівпровідники р-типумають діркову провідність. Основними носіями заряду є дірки, а неосновними – електрони.

Являє собою з'єднання напівпровідників р- та л-типу. Опір області контакту залежить від напрямку струму. Якщо діод включити в ланцюг, щоб область кристала з електронною провідністю n-типу була приєднана до позитивного полюса, а область з дірковою провідністю р-типу до негативного полюса, то струму в ланцюзі не буде, оскільки перехід електронів з n-області до р -область не може.

Якщо р-область напівпровідника підключити до позитивного полюса, а n-область до негативного, то цьому випадку струм проходить через діод. За рахунок дифузії основних носіїв струму в чужий напівпровідник в області контакту утворюється подвійний електричний шар, що перешкоджає руху зарядів. Зовнішнє поле, спрямоване від р до n, частково компенсує дію цього шару і при збільшенні напруги струм швидко зростає.