Проходження електричного струму через напівпровідники. Електричний струм у напівпровідниках напівпровідники у природі

Напівпровідники займають проміжне місце електропровідності між провідниками і непровідниками електричного струму. До групи напівпровідників належить набагато більше речовин, ніж до груп провідників та непровідників, взятих разом. Найбільш характерними представникаминапівпровідників, що знайшли практичне застосуванняу техніці, є германій, кремній, селен, телур, миш'як, закис міді та велика кількістьсплавів та хімічних сполук. Майже все неорганічні речовининавколишнього світу – напівпровідники. Найпоширенішим у природі напівпровідником є ​​кремній, що становить близько 30% земної кори.

Якісна відмінність напівпровідників від металів проявляється насамперед залежно від питомого опору від температури. Зі зниженням температури опір металів падає. У напівпровідників, навпаки, зі зниженням температури опір зростає і поблизу абсолютного нулявони практично стають ізоляторами.

У напівпровідників концентрація носіїв вільного заряду зростає зі зростанням температури. Механізм електричного струму в напівпровідниках не можна пояснити у межах моделі газу вільних електронів.

Атоми германію мають чотири слабо пов'язані електрони на зовнішній оболонці.Їх називають валентними електронами. У кристалічних ґратах кожен атом оточений чотирма найближчими сусідами. Зв'язок між атомами в кристалі германію є ковалентним, тобто здійснюється парами валентних електронів. Кожен валентний електрон належить двом атомам. Валентні електрони в кристалі германію набагато більше пов'язані з атомами, ніж у металах; тому концентрація електронів провідності при кімнатній температуріу напівпровідниках набагато порядків менше, ніж в металів. Поблизу абсолютного нуля температури кристалі германію все електрони зайняті у освіті зв'язків. Такий кристал електричного струму не проводить.

При підвищенні температури, деяка частина валентних електронів може отримати енергію, достатню для розриву ковалентних зв'язків. Тоді кристалі виникнуть вільні електрони (електрони провідності). Одночасно у місцях розриву зв'язків утворюються вакансії, які зайняті електронами. Ці вакансії дістали назву «дірок».

При заданій температурі напівпровідника за одиницю часу утворюється певну кількістьелектронно-діркових пар. В теж час йдезворотний процес – при зустрічі вільного електрона з діркою відновлюється електронний зв'язокміж атомами Німеччини. Цей процес називається рекомбінацією. Електронно-діркові пари можуть народжуватися також при освітленні напівпровідника за рахунок енергії електромагнітного випромінювання.

Якщо напівпровідник поміщається в електричне поле, то до впорядкованого руху залучаються не тільки вільні електрони, а й дірки, які поводяться як позитивно заряджені частинки. Тому струм I у напівпровіднику складається з електронного I n і діркового I p струмів: I = I n + I p.

Концентрація електронів провідності у напівпровіднику дорівнює концентрації дірок: n n = n p . Електронно-дірковий механізм провідності проявляється лише у чистих (тобто без домішок) напівпровідників. Він називається власною електричною провідністю напівпровідників.

За наявності домішок електропровідність напівпровідників сильно змінюється. Наприклад, добавка домішок фосфорув кристал кремніюу кількості 0,001 атомного відсотка зменшує питомий опірбільш ніж п'ять порядків.

Напівпровідник, в який введена домішка (тобто частина атомів одного сорту замінена на атоми іншого сорту), називають домішковим чи легованим.

Розрізняють два типи домішкової провідності – електронну та дірочну провідності.

Так при легуванні чотирьох валентних германію (Ge) або кремнію (Si) пятивалентним - фосфор (P), сурма (Sb), миш'як (As) у місці знаходження атома домішки утворюється зайвий вільний електрон. При цьому домішку називають донорною .

При легуванні чотирьох валентного германію (Ge) або кремнію (Si) тривалентним - алюмінієм (Al), індієм (Jn), бором (В), галієм (Ga) - З'являється лінія дірка. Такі домішки називають акцепторними .

В одному і тому ж зразку напівпровідникового матеріалу одна ділянка може мати р - провідність, а інший n - провідність. Такий пристрій називають напівпровідниковим діодом.

Приставка "ді" в слові "діод" означає "два", вона вказує, що в приладі є дві основні "деталі", два тісно примикають один до одного напівпровідникових кристала: один з р-провідністю (це зона р),інший - з n - провідністю (це зона д).Фактично ж напівпровідниковий діод- це один кристал, в одну частину якого введено донорну домішку (зона д),в іншу-акцепторна (зона р).

Якщо від батареї підвести до діода постійну напругу плюсом до зони рта «мінусом» до зони п, то вільні заряди - електрони та дірки - ринуть до кордону, прямують до рn-переходу. Тут вони нейтралізуватимуть один одного, до кордону підходитимуть нові заряди, і в ланцюгу діода встановиться постійний струм. Це так зване пряме включення діода – заряди інтенсивно рухаються через нього, у ланцюзі протікає порівняно великий прямий струм.

Тепер змінимо полярність напруги на діоді, здійснимо, як заведено говорити, його зворотне включення – «плюс» батареї підключимо до зони п,«мінус» - до зони нар.Вільні заряди відтягнуться від кордону, електрони відійдуть до «плюсу», дірки – до «мінуса» і в результаті pn – перехід перетвориться на зону без вільних зарядівв чистий ізолятор. А значить, відбудеться розрив ланцюга, струм у ньому припиниться.

Hе великий зворотний струм через діод все ж таки буде йти. Тому що, крім основних вільних зарядів (носіїв заряду) – електронів, у зоні пі дірок у зоні р - у кожній із зон є ще й мізерна кількість зарядів зворотного знака. Це власні неосновні носіїзаряду, вони існують у будь-якому напівпровіднику, з'являються в ньому через теплові рухи атомів, саме вони і створюють зворотний струм через діод. Зарядів цих порівняно мало, і зворотний струм набагато менше прямого. Величина зворотного струму залежить від температури довкілля, матеріалу напівпровідника та площі p-nпереходу. Зі збільшенням площі переходу зростає його об'єм, а відтак зростає кількість неосновних носіїв, що з'являються в результаті термогенерації та теплового струму. Часто ВАХ для наочності представляють у вигляді графіків.

Напівпровідниками назвали клас речовин, у яких з підвищенням температури збільшується провідність, зменшується електричний опір. Цим напівпровідники принципово відрізняються від металів.

Типовими напівпровідниками є кристали германію і кремнію, в яких атоми об'єднані ковалентною зв'язком. За будь-яких температур у напівпровідниках є вільні електрони. Вільні електрони під дією зовнішнього електричного поляможуть переміщатися кристалі, створюючи електронний струм провідності. Видалення електрона із зовнішньої оболонки одного з атомів кристалічної решітки призводить до перетворення цього атома на позитивний іон. Цей іон може нейтралізуватися, захопивши електрон в одного із сусідніх атомів. Далі, в результаті переходів електронів від атомів до позитивним іонамвідбувається процес хаотичного переміщення в кристалі місця з недостатнім електроном. Зовні цей процес сприймається як переміщення позитивного електричного зарядузваного діркою.

При приміщенні кристала в електричне поле виникає упорядкований рух дірок - дірковий струм провідності.

В ідеальному напівпровідниковому кристалі електричний струм створюється рухом рівної кількості негативно заряджених електронів та позитивно заряджених дірок. Провідність в ідеальних напівпровідниках називається власною провідністю.

Властивості напівпровідників сильно залежить від вмісту домішок. Домішки бувають двох типів - донорні та акцепторні.

Домішки, що віддають електрони та створюють електронну провідність, називаються донорними(Домішки, що мають валентність більше, ніж у основного напівпровідника). Напівпровідники, у яких концентрація електронів перевищує концентрацію дірок, називають напівпровідниками n-типу.

Домішки, що захоплюють електрони і створюють тим самим рухливі дірки, не збільшуючи при цьому кількість електронів провідності, називають акцепторними(Домішки мають валентність менше, ніж у основного напівпровідника).

При низьких температурахосновними носіями струму в напівпровідниковому кристалі з акцепторною домішкою є дірки, а чи не основними носіями - електрони. Напівпровідники, у яких концентрація дірок перевищує концентрацію електронів провідності, називають дірковими напівпровідниками або напівпровідниками р-типу. Розглянемо контакт двох напівпровідників з різними типамипровідності.

Через кордон цих напівпровідників відбувається взаємна дифузія основних носіїв: електрони з n-напівпровідника дифундують в р-напівпровідник, а дірки з р-напівпровідника в n-напівпровідник. В результаті ділянка n-напівпровідника, що межує з контактом, буде збіднений електронами, і в ньому утворюється надлишковий позитивний заряд, зумовлений наявністю оголених іонів домішки. Рух дірок з р-напівпровідника до n-напівпровідника призводить до виникнення надлишкового негативного зарядуу прикордонній ділянці р-напівпровідника. В результаті утворюється подвійний електричний шар і виникає контактне електричне поле, яке перешкоджає подальшій дифузії основних носіїв заряду. Цей шар називають замикаючим.

Зовнішнє електричне поле впливає на електропровідність замикаючого шару. Якщо напівпровідники підключені до джерела, як показано на рис. 55, то під дією зовнішнього електричного поля основні носії заряду - вільні електрони в п-напівпровіднику та дірки в р-напівпровіднику - будуть рухатися назустріч один одному до межі розділу напівпровідників, при цьому товщина p-n-переходу зменшується, отже, зменшується опір. І тут сила струму обмежується зовнішнім опором. Такий напрямок зовнішнього електричного поля називається прямим. Прямому включенню p-n-переходу відповідає ділянка 1 на вольт-амперної характеристики (див. рис. 57).

Носії електричного струму різних середовищахта вольт-амперні характеристики узагальнені в табл. 1.

Якщо напівпровідники підключені до джерела, як показано на рис. 56, то електрони в п-напівпровіднику та дірки в р-напівпровіднику будуть переміщатися під дією зовнішнього електричного поля від кордону протилежні сторони. Товщина замикаючого шару і, отже, його опір збільшується. При такому напрямку зовнішнього електричного поля - зворотному (замикаючому) через кордон розділу проходять тільки неосновні носії заряду, концентрація яких набагато менша, ніж основних, і струм практично дорівнює нулю. Зворотному включенню р-п-переходу відповідає ділянка 2 на вольт-амперної характеристики (рис. 57).

Напівпровідник- це речовина, у якої питомий опір може змінюватися в широких межах і дуже швидко зменшується з підвищенням температури., а це означає, що електрична провідність(1/R) збільшується.
- спостерігається у кремнію, германію, селену та в деяких сполук.

Механізм провідностіу напівпровідників

Кристали напівпровідників мають атомну кристалічні ґрати, де зовнішні електронипов'язані із сусідніми атомами ковалентними зв'язками.

При низьких температурах у чистих напівпровідників вільних електронів немає і він поводиться як діелектрик.

Напівпровідники чисті (без домішок)

Якщо напівпровідник чистий (без домішок), він володіє власноюпровідністю, яка невелика.

Власна провідність буває 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 у всьому кристалу, т.к. її місце може замінюватися валентними електронами. Переміщення "дірки" рівноцінне переміщенню позитивного заряду.
Переміщення дірки відбувається у напрямку вектора напруги електричного поля.

Крім нагрівання, розрив ковалентних зв'язків та виникнення власної провідності напівпровідників можуть бути викликані освітленням (фотопровідністю) та дією сильних електричних полів

Загальна провідність чистого напівпровідника складається з провідностей "p" та "n"-типів.
і називається електронно-дірковою провідністю.

Напівпровідники за наявності домішок

У них існує власна + домішковапровідність
Наявність домішок сильно підвищує провідність.
При зміні концентрації домішок змінюється кількість носіїв ел.струму - електронів та дірок.
Можливість керування струмом лежить в основі широкого застосуваннянапівпровідників.

Існують:

1)донорнідомішки (що віддають)

Є додатковими постачальниками електронів у кристали напівпровідника, легко віддають електрони та збільшують кількість вільних електронів у напівпровіднику.
Це провідники "n" - типу, тобто. напівпровідники з донорними домішками, де основний носій заряду – електрони, а неосновний – дірки.
Такий напівпровідник має електронну домішкову провідність.

Наприклад – миш'як.

2. акцепторнідомішки (що приймають)

Створюють "дірки", забираючи в себе електрони.
Це напівпровідники "p" - типу,тобто. напівпровідники з акцепторними домішками, де основний носій заряду – дірки, а неосновний – електрони.
Такий напівпровідник має діркову домішкову провідність.

Наприклад – індій.

Електричні властивості "p-n" переходу

"p-n" перехід(або електронно-дірковий перехід) - область контакту двох напівпровідників, де відбувається зміна провідності з електронної на дірочну (або навпаки).

У кристалі напівпровідника запровадженням домішок можна створити такі області. У зоні контакту двох напівпровідників з різними провідностямипроходитиме взаємна дифузія. електронів і дірок і утворюється замикаючий електричний шар. Електричне поле замикаючого шару перешкоджає подальшому переходу електронів і дірок через кордон. Замикаючий шар має підвищений опір у порівнянні з іншими областями напівпровідника.

Пропускний режим р-nпереходу:

При замикаючому (зворотному) напрямку зовнішнього електричного поля електричний струм через область контакту двох напівпровідників не проходитиме.
Т.к. електрони та дірки переміщаються від кордону в протилежні сторони, то замикаючий шар потовщується, його опір збільшується.

Замикаючий режим р-n переходу.

У напівпровідниках - це спрямований рух дірок та електронів, на який впливає електричне поле.

В результаті експериментів було зазначено, що електричному струму в напівпровідниках не супроводжується перенесення речовини - в них не відбуваються будь-які хімічні зміни. Таким чином, носіями струму у напівпровідниках можна вважати електрони.

Здатність матеріалу до формування в ньому електричного струму може бути визначена За цим показником провідники займають проміжну позицію між провідниками та діелектриками. Напівпровідники – це різні видимінералів, деякі метали, сульфіди металів і т.д. Електричний струму напівпровідниках виникає через концентрацію вільних електронів, які можуть спрямовано пересуватися в речовині. Порівнюючи метали та провідники, можна відзначити, що існує різниця між температурним впливом на їх провідність. Підвищення температури веде до зменшення напівпровідників показник провідності збільшується. Якщо в напівпровіднику збільшиться температура, рух вільних електронів буде більш хаотичним. Це з підвищенням числа зіткнень. Однак у напівпровідниках порівняно з металами істотно підвищується показник концентрації вільних електронів. Дані чинники надають протилежний вплив на провідність: що більше зіткнень, то менше провідність, що більше концентрація, то вона вище. У металах немає залежності між температурою та концентрацією вільних електронів, так що зі зміною провідності при підвищенні температури лише знижується можливість упорядкованого переміщення вільних електронів. Що ж до напівпровідників, то показник впливу підвищення концентрації вищий. Таким чином, чим більше зростатиме температура, тим більшою буде провідність.

Існує взаємозв'язок між рухом носіїв заряду та таким поняттям, як електричний струм у напівпровідниках. У напівпровідниках поява носіїв зарядів характеризується різними факторами, Серед яких особливо важливими є температура та чистота матеріалу. По чистоті напівпровідники діляться на домішкові та власні.

Що стосується власного провідника, то вплив домішок за певної температури не може вважатися для них суттєвим. Оскільки в напівпровідниках ширина забороненої зони невелика, власному напівпровідникуколи температура досягає відбувається повне заповнення валентної зони електронами. Але зона провідності є повністю вільною: у ній немає електропровідності, і вона функціонує як ідеальний діелектрик. За інших температур існує ймовірність того, що при теплових флуктуаціях певні електрониможуть подолати потенційний бар'єрі опинитися у зоні провідності.

Ефект Томсона

Принцип термоелектричного ефекту Томсона: коли пропускають електричний струм у напівпровідниках, вздовж яких існує температурний градієнт, в них, крім джоулева тепла, відбуватиметься виділення або поглинання додаткових кількостей тепла залежно від того, в якому напрямку тектиме струм.

Недостатньо рівномірне нагрівання зразка, що має однорідну структуру, впливає з його властивості, у результаті речовина стає неоднорідним. Отже, явище Томсона є специфічним явищем Пельте. Єдина різниця полягає в тому, що різний хімічний складзразка, а неординарність температури викликає цю неоднорідність.

Розглянемо докладніше питання вільних носіях зарядів у напівпровідниках. Візьмемо два різних напівпровідники (перший складається зі сплаву вісмуту, телуру та селену, другий - з вісмуту, телуру та сурми) і з'єднаємо їх з гальванометрами (рис. 100). Нагріємо один кінець першого напівпровідника, а потім другого залишаючи інші кінці ненагрітими. Щоб був більший перепад температури (t 0 r - t x)між верхнім, що нагрівається, кінцем напівпровідника і нижнім, ненагріваним, до останнього припаяний радіатор - мідна пластинка А.

Зауважуємо, що в ланцюзі гальванометра йде струм, його джерелом став напівпровідник (термоелемент). У напрямку відхилення стрілок бачимо, що в одного напівпровідника (рис. 100 а) нагрітий кінець має позитивний потенціал, а в іншого - негативний (рис. 100 б). Це відбувається тому, що в кінці, що нагрівається, збільшується кількість вільних електронів і їх швидкість, а в холодному кінці концентрація електронів мало змінюється. З нагрітого кінця до холодного переходить більша кількістьелектронів, ніж холодного в нагрітий. В результаті нагрітий кінець заряджається позитивно, а холодний негативно. Це ще раз підтверджує, що вільними носіями заряду напівпровідників є електрони.

Але як пояснити випадок, коли гарячий кінець напівпровідника заряджається негативно і все відбувається так, якби носіями заряду в напівпровіднику замість електронів стали позитивно заряджені частинки, що переходять з гарячого кінця в холодний? Розрахунки показали, що заряд таких частинок по абсолютного значення дорівнює зарядуелектрону. З'ясуємо, що це за частки

При нагріванні напівпровідника кінетична енергія валентних електронів збільшується, вони відриваються від атомів та стають вільними електронами провідності. Місця в атомі напівпровідника, в яких відсутні валентні електрони, називаються дірками.Назва наголошує, що в атомі не вистачає одного електрона. Перескочивши від якогось сусіднього атома, електрон може зайняти дірку та відновити ковалентний зв'язок. Якщо це станеться, то дірка з'явиться в іншому місці і знову може бути зайнята електроном сусіднього атома. Так дірки утворюються у нагрітій ділянці напівпровідника. Поняття "дірка" введено для спрощення опису стрибкоподібного переміщення електронів із заповненого парноелектронного зв'язку атомів у незаповнений. Дірки та електрони провідності знаходяться в тепловому русі. Процес утворення електронів провідності та дірок протікає паралельно з процесом їх рекомбінацій.

Отже, у напівпровідниках є й позитивні носії заряду – ними є дірки.

При нагріванні (див. рис. 97, а) або освітленні (див. рис. 99, а) напівпровідника у ньому утворюються вільні електрони провідності та дірки. Якщо підключити такий напівпровідник до джерела струму, це джерело утворює в напівпровіднику стаціонарне електричне поле, під дією якого електрони провідності приходять у спрямований рух від негативного полюса джерела до позитивного. Провідність напівпровідника за допомогою електронів називається електронною провідністю,а струм, утворений цими електронами, струмом електронної провідності.

Утворення струму провідності по зонної теоріївідбувається так (див. рис. 96). Внаслідок малого значення енергії забороненої зони (наприклад, для германію 0,75 ев) повідомлення ззовні електронів валентної зони незначної енергії спрямовує їх потік у вільну зону і утворює цим електричний струм. Спрямований перехід електронів провідності з валентної зони до зони провідності (в колишню вільну зону) дає струм електронної провідності у напівпровіднику.

У напівпровіднику, підключеному до джерела струму, під впливом електричного поля рух дірок стає упорядкованим вздовж його напруженості. Дірка з як би властивою їй позитивним зарядомпереміщається від одного атома до іншого, причому у напрямку, протилежному до переміщення електронів, що займають дірки (рис. 101). Провідність напівпровідника, обумовлена ​​рухом дірок, називається дірковою провідністю.(Її наявність була підтверджена ефектом Холла на напівпровідниках.)

Перехід електронів із валентної зони в зону провідності створює дірки у валентній зоні. Під дією повідомленої енергії електрони сусідніх енергетичних рівнівзаймають дірки. Виходить спрямоване рух дірок убік, протилежний рухвалентних електронів Струм, утворений спрямованим рухом валентних електронів, - це струм діркової провідності.

Розглянувши електронну та дірочну провідність, ми побачили, що різниця між ними є умовною. Насправді та й інша провідність утворюються внаслідок руху електронів, проте різного характеру: при електронній провідності - це безперервний рух вільних електронів, при дірковій провідності - це ланцюжок перескоків електронів між сусідніми атомами. Отже, електричний струм у напівпровідниках створюється рухом електронів під впливом зовнішнього електричного поля.Дірки, підійшовши до негативного полюса джерела струму, заповнюються електронами, що надходять напівпровідник з цього негативного полюса. Електрони, що підійшли до позитивного полюса, нейтралізують у ньому частину позитивного заряду.