Напівпровідники – це матеріали, які за звичайних умов є діелектриками, але зі збільшенням температури стають провідниками. Тобто у напівпровідниках зі збільшенням температури, опір зменшується.

Будова напівпровідника на прикладі кристала кремнію

Розглянемо будову напівпровідників та основні типи провідності у них. Як приклад розглянемо кристал кремнію.

Кремній є чотиривалентним елементом. Отже, у його зовнішньої оболонкиє чотири електрони, які слабко пов'язані з ядром атома. З кожним по сусідству є ще чотири атоми.

Атоми між собою взаємодіють та утворюють ковалентні зв'язки. Від кожного атома у такому зв'язку бере участь один електрон. Схема устрою кремнію зображена на наступному малюнку.

малюнок

Ковалентні зв'язки є досить міцними і при низьких температурахне розриваються. Тому в кремнії немає вільних носіїв заряду, і він за низьких температур є діелектриком. У напівпровідниках існує два види провідності: електронна та дірочна.

Електронна провідність

При нагріванні кремнію йому повідомлятиметься додаткова енергія. Кінетична енергія частинок збільшується і деякі ковалентні зв'язки розриваються. Тим самим утворюються вільні електрони.

В електричному полі ці електрони переміщуються між вузлами кристалічних ґрат. При цьому в кремнії створюватиметься електричний струм.

Оскільки основними носіями заряду є вільні електрони, такий тип провідності називають електронною провідністю. Кількість вільних електронів залежить від температури. Чим сильніше ми нагріватимемо кремній, тим більше ковалентних зв'язківбуде розриватися, а отже, з'являтиметься більше вільних електронів. Це призводить до зменшення опору. І кремній стає провідником.

Діркова провідність

Коли відбувається розрив ковалентного зв'язку, на місці електрона, що вирвався, утворюється вакантне місце, яке може зайняти інший електрон. Це місце називається діркою. У дірці є надлишковий позитивний заряд.

Положення дірки в кристалі змінюється, будь-який електрон може зайняти це положення, а дірка у своїй переміститься туди, звідки перескочив електрон. Якщо електричного поляні, то рух дірок безладний, і тому струму не виникає.

За його наявності, виникає впорядкованість переміщення дірок, і крім струму, що створюється вільними електронами, з'являється струм, який створюється дірками. Дірки рухатимуться у протилежному русі електронів напрямку.

Таким чином, у напівпровідниках провідність є електронно-дірковою. Струм створюється як за допомогою електронів, так і за допомогою дірок. Такий тип провідності ще називається власною провідністю, тому що беруть участь елементи лише одного атома.

Перенесення носіїв струму у напівпровідниках

Introduction

Носіями струму в напівпровідниках є електрони та дірки. Носії струму рухаються в періодичному полі атомів кристала так, ніби вони є вільними частинками. Вплив періодичного потенціалу позначається лише з величині маси носія. Тобто під дією періодичного потенціалу змінюється маса носія. У зв'язку з цим у фізиці твердого тіла вводять поняття ефективної маси електрона та дірки. Середня енергія теплового рухуелектронів та дірок дорівнює kT/2 на кожну міру свободи. Теплова швидкість електрона та дірки за кімнатної температури дорівнює приблизно 10 7 см/c.

Якщо до напівпровідника додати електричне поле, це поле викличе дрейф носіїв струму. При цьому швидкість носіїв спочатку збільшуватиметься зі зростанням поля, досягне середнього значення швидкості і потім перестане змінюватися, оскільки відбувається розсіювання носіїв. Причиною розсіювання є дефекти, домішки та випромінювання або поглинання фононів. Основною причиною розсіювання носіїв є заряджені домішки та теплові коливання атомів решітки (поглинання/випускання фононів). Взаємодія з ними призводить до різкої зміни швидкості носіїв та напряму їхнього переміщення. Зміна напряму швидкості носіїв має випадковий характер. Додатковим механізмом розсіювання носіїв струму є розсіювання носіїв поверхні напівпровідника.

За наявності зовнішнього електричного поля на випадковий характер переміщення носіїв у напівпровіднику накладається спрямований рух носіїв під дією поля у перервах між сударениями. І навіть, незважаючи на те, що швидкість випадкового переміщення носіїв може у багато разів перевершувати швидкість спрямованого переміщення носіїв під дією електричного поля, випадкової складової переміщення носіїв можна знехтувати, оскільки при випадковому русі результуючий потік носіїв дорівнює нулю. Прискорення носіїв під впливом зовнішнього поля підпорядковується законам динаміки Ньютона. Розсіювання призводить до різкої зміни напрямку переміщення та величини швидкості, але після розсіювання прискорений рух частинки під дією поля відновлюється.

Результуючий ефект зіткнень у тому, що прискорення часток немає, але частинки швидко досягають постійної швидкості руху. Це еквівалентно введенню гальмівної компоненти в рівняння руху частки, що характеризується постійним часом t. За цей проміжок часу частка втрачає кількість руху mv, що визначається середньою швидкістю v. Для частки, яка має постійне прискорення між сударениями, ця постійна часу дорівнює часу між двома послідовними сударенія. Розглянемо докладніше механізми перенесення носіїв струму напівпровідниках.

Дрейфовийструм(Drift Current)

Дрейфовий рух носіїв у напівпровіднику під впливом електричного поля можна проілюструвати малюнком ХХХ. Поле повідомляє носіям швидкість v.

Fig. Рух носіїв під дією поля .

Якщо прийняти, що всі носії у напівпровіднику рухаються з однаковою швидкістю vто струм можна виразити як відношення загального переміщеного між електродами заряду до часу t rпроходження цього заряду від одного електрода до іншого, або:

де L – відстань між електродами.

Щільність струму тепер можна виразити через концентрацію носіїв струму nу напівпровіднику:

де А -Площа перерізу напівпровідника.

Рухливість (Mobility)

Характер руху носіїв струму в напівпровіднику без поля і під впливом зовнішнього електричного поля наведено малюнку ХХХ. Як зазначалося, теплова швидкість електронів порядку 10 7 cm/sі вона значно вище дрейфової швидкості електронів.

Fig. Випадковий характер руху носіїв струму в напівпровіднику у відсутності та за наявності зовнішнього поля.

Розглянемо рух носіїв під дією електричного поля. Відповідно до закону Ньютона:

де сила включає дві складові – електростатичну силу і мінус силу, що зумовлює втрати кількості руху при розсіянні, поділену на час між соударениями:

Прирівнюючи ці вирази і використовуючи вираз для середньої швидкості, отримаємо:

Розглянемо лише стаціонарний випадок, коли частка вже прискорилася і досягла своєї середньої постійної швидкості. У цьому наближенні швидкість пропорційна напруженості електричного поля. Коефіцієнт пропорційності між останніми величинами визначається як рухливість:

Рухливість обернено пропорційна масі носія і прямо пропорційна часу вільного пробігу.

Щільність дрейфового струму можна записати як функцію рухливості:

Як уже зазначалося, у напівпровідниках маса носіїв не дорівнює масі електрона у вакуумі, mі у формулі для рухливості слід використовувати ефективну масу, m * :

Дифузія носіїв струму у напівпровідниках.

Дифузійний струм

Якщо зовнішнє електричне полеу напівпровіднику відсутня, то спостерігається випадкове переміщення носіїв струму – електронів та дірок під дією теплової енергії. Це випадкове переміщення не призводить до спрямованого переміщення носіїв та утворення струму. Завжди замість носія, що пішов з якого-небудь місця, на його місце прийде інший. Отже, по всьому об'єму напівпровідника зберігається однорідна щільність носіїв.

Але ситуація змінюється, якщо носії розподілено за обсягом нерівномірно, тобто. має місце градієнт концентрації. У цьому випадку під дією градієнта концентрації виникає спрямоване переміщення носіїв - дифузія з області, де концентрація вище, область з низькою концентрацією. Спрямоване переміщення заряджених носіїв під дією дифузії створює дифузійний струм. Розглянемо цей ефект докладніше.

Отримаємо співвідношення для дифузійного струму. Виходитимемо з того, що спрямоване переміщення носіїв під дією градієнта концентрації відбувається в результаті теплового руху (при температурі
за Кельвіном на кожну міру свободи частки припадає енергія
), тобто. дифузія відсутня за нульової температури (дрейф носіїв можливий і при 0К).

Незважаючи на те, що випадковий характер руху носіїв під дією тепла потребує статистичного підходу, виведення формули для дифузійного струму буде засноване на використанні середніх величин, що характеризують процеси. Результат виходить той самий.

Введемо середні величини – середню теплову швидкість v th, середній час між соударениями,  , і середню довжинувільного пробігу, l. Середня теплова швидкість може бути спрямована як у позитивному, так і негативному напрямку. Ці величини пов'язані між собою співвідношенням

Розглянемо ситуацію з неоднорідним розподілом електронів n(x) (Див. Рис ХХХ).

Fig. 1 Carrier density profile used to derive the diffusion current expression

Розглянемо потік електронів через площину з координатою x = 0. Носії у цю площину приходять як зліва з боку координати x = - l, так і праворуч з боку координати x = l. Потік електронів зліва направо дорівнює

де коефіцієнт ½ означає, що половина електронів у площині з координатою x = - lрухається ліворуч, а друга половина – праворуч. Аналогічно, потік електронів через x = 0 хто приходить праворуч з боку x = + lбуде дорівнює:

Загальний потік електронів, що проходять через площину x = 0 зліва направо, дорівнюватиме:

Вважаючи, що середня довжина вільного пробігу електронів досить мала, ми можемо записати різницю в концентраціях електронів праворуч та ліворуч від координати x = 0 через відношення різниці концентрацій відстані між площинами, тобто. через похідну:

Щільність струму електронів дорівнюватиме:

Зазвичай добуток теплової швидкості на середню довжину вільного пробігу замінюють одним співмножником, званим коефіцієнтом дифузії електронів, D n .

Аналогічні співвідношення можна записати і для діркового дифузійного струму:

Слід пам'ятати, що заряд дірок позитивний.

Між коефіцієнтом дифузії та рухливістю існує зв'язок. Хоча на перший погляд може здатися, що ці коефіцієнти не повинні бути пов'язані між собою, оскільки дифузія носіїв обумовлена ​​тепловим рухом, а дрейф носіїв обумовлений зовнішнім електричним полем. Однак один з основних параметрів - час між сударенія не повинен залежати від причини, що викликала рух носіїв.

Використовуємо визначення теплової швидкості як,

та висновки термодинаміки про те, що на кожний ступінь свободи руху електрона припадає теплова енергія kT/2, рівна кінетичній:

З цих співвідношень можна отримати добуток теплової швидкості та середньої довжини вільного пробігу, виражений через рухливість носія:

Але твір теплової швидкості та середньої довжини вільного пробігу ми вже визначили як коефіцієнт дифузії. Тоді останнє співвідношення для електронів та дірок можна записати у такому вигляді:

Ці співвідношення називаються співвідношенням Ейнштейна.

Загальний струм

Загальний струм через напівпровідник є сумою дрейфового та дифузійного струму. Для щільності струму електронів можна записати:

та аналогічно для дірок:

Загальна щільність струму через напівпровідник дорівнює сумі електронного та діркового струму:

Сумарний струм через напівпровідник дорівнює добутку щільності струму на площу напівпровідника:

Струм можна записати також у наступній формі:

Умова рівноваги неоднорідно легованого напівпровідника

(Умова відсутності струму через напівпровідник)

Напівпровідники займають проміжне положення електропровідності (або по питомому опору) між провідниками і діелектриками. Однак це розподіл усіх речовин за їх властивістю електропровідності є умовним, тому що під дією низки причин (домішки, опромінення, нагрівання) електропровідність та питомий опір у багатьох речовин дуже змінюються, особливо у напівпровідників.

У зв'язку з цим напівпровідники від металів відрізняють за цілою низкою ознак:

1. питомий опір у напівпровідників за звичайних умов набагато більше, ніж у металів;

2. питомий опір чистих напівпровідників зменшується зі зростанням температури (у металів воно зростає);

3. при освітленні напівпровідників їх опір значно зменшується (на опір металів світло майже впливає):

4. Незначна кількість домішок надає сильний вплив на опір напівпровідників.

До напівпровідників належать 12 хімічних елементів у середній частині таблиці Менделєєва (рис. 1) - В, С, Si, Ρ, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Ті, I, сполуки елементів третьої групи з елементами п'ятої групи, багато оксидів і сульфідів металів, ряд інших хімічних сполукдеякі органічні речовини. Найбільше застосування науки і техніки мають германій Ge і кремній Si.

Напівпровідники можуть бути чистими та з домішками. Відповідно розрізняють власну та домішкову провідність напівпровідників. Домішки у свою чергу ділять на донорні та акцепторні.

Власна електрична провідність

Для розуміння механізму електричної провідності у напівпровідниках розглянемо будову напівпровідникових кристалів та природу зв'язків, що утримують атоми кристала один біля одного. Кристали германію та інших напівпровідників мають атомні кристалічні грати (рис. 2).

Плоска схема структури германію показано малюнку 3.

Німеччина - чотиривалентний елемент, у зовнішній оболонці атома є чотири електрони, слабші пов'язані з ядром, ніж інші. Число найближчих сусідів кожного атома германію також дорівнює 4. Чотири валентні електрони кожного атома германію пов'язані з такими ж електронами сусідніх атомів хімічними парноелектронними ( ковалентними) зв'язками. В утворенні цього зв'язку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону, які відщеплюються від атомів (колективуються кристалом) і при своєму русі більшу частину часу проводять у просторі між сусідніми атомами. Їхній негативний заряд утримує позитивні іони германію один біля одного. Такий зв'язок умовно може бути зображений двома лініями, що з'єднують ядра (див. рис. 3).

Але колективізована пара електронів належить як двом атомам. Кожен атом утворює чотири зв'язки із сусідніми, а даний валентний електрон може рухатися будь-якою з них (рис. 4). Дійшовши до сусіднього атома, він може перейти до наступного, а потім далі по всьому кристалу. Колективізовані валентні електрони належать усьому кристалу.

Ковалентні зв'язки германію досить міцні і за низьких температур не розриваються. Тому германій за низької температури не проводить електричний струм. Валентні електрони, що беруть участь у зв'язку атомів, міцно прив'язані до кристалічної решітки, і зовнішнє електричне поле не надає помітного впливу на їх рух. Аналогічна будова має кристал кремнію.

Електропровідність хімічно чистого напівпровідника можлива у тому випадку, коли ковалентні зв'язки у кристалах розриваються та з'являються вільні електрони.

Додаткова енергія, яка має бути витрачена, щоб розірвати ковалентний зв'язок та зробити електрон вільним, називається енергією активації.

Отримати енергію електрони можуть при нагріванні кристала, при опроміненні його високочастотними електромагнітними хвилямиі т.д.

Щойно електрон, придбавши необхідну енергію, йде з локалізованого зв'язку, у ньому утворюється вакансія. Цю вакансію може легко заповнити електрон із сусіднього зв'язку, на якому, таким чином, також утворюється вакансія. Таким чином, завдяки переміщенню електронів зв'язку відбувається переміщення вакансій по всьому кристалу. Ця вакансія поводиться так само, як і вільний електрон - вона вільно переміщається за обсягом напівпровідника. Понад те, враховуючи, як і напівпровідник загалом, і його атом при не порушених ковалентних зв'язках електрично нейтральні, можна сказати, що догляд електрона зв'язку й освіту вакансії фактично еквівалентно появі цьому зв'язку надлишкового позитивного заряду. Тому вакансію, що утворилася, можна формально розглядати як носій позитивного заряду, який називають діркою(Рис. 5).

Таким чином, відхід електрона з локалізованого зв'язку породжує пару вільних носіїв заряду - електрон та дірку. Їхня концентрація в чистому напівпровіднику однакова. При кімнатній температуріконцентрація вільних носіїв у чистих напівпровідниках невелика, приблизно в 10 9 ÷ 10 10 разів менше концентрації атомів, але при цьому вона швидко зростає зі збільшенням температури.

• Порівняйте з металами: там концентрація вільних електронів приблизно дорівнює концентрації атомів.

Без зовнішнього електричного поля ці вільні електрони і дірки рухаються в кристалі напівпровідника хаотично.

У зовнішньому електричному полі електрони переміщуються у бік, протилежний напряму напруженості електричного поля. Позитивні дірки переміщуються у напрямку напруженості електричного поля (рис. 6). Процес переміщення електронів та дірок у зовнішньому полі відбувається по всьому об'єму напівпровідника.

Загальна питома електропровідність напівпровідника складається з діркової та електронної провідностей. При цьому у чистих напівпровідників число електронів провідності завжди дорівнює числу дірок. Тому кажуть, що чисті напівпровідники мають електронно-дірковою провідністю, або власною провідністю.

З підвищенням температури зростає кількість розривів ковалентних зв'язків та збільшується кількість вільних електронів та дірок у кристалах чистих напівпровідників, а, отже, зростає питома електропровідність та зменшується питомий опір чистих напівпровідників. Графік залежності питомого опору чистого напівпровідника від температури наведено на рис. 7.

Крім нагрівання, розрив ковалентних зв'язків і, як наслідок, виникнення власної провідності напівпровідників та зменшення питомого опору можуть бути викликані освітленням (фотопровідність напівпровідника), а також дією сильних електричних полів.

Примісна провідність напівпровідників

Провідність напівпровідників збільшується із запровадженням домішок, коли поруч із власною провідністю виникає додаткова домішкова провідність.

Домішною провідністюнапівпровідників називається провідність, обумовлена ​​наявністю домішок у напівпровіднику.

Домішними центрами можуть бути:

1. атоми або іони хімічних елементів, впроваджені у ґрати напівпровідника;

2. надлишкові атоми або іони, впроваджені в міжвузли ґрат;

3. різного роду інші дефекти та спотворення в кристалічній решітці: порожні вузли, тріщини, зрушення, що виникають при деформаціях кристалів, та ін.

Змінюючи концентрацію домішок, можна значно збільшувати кількість носіїв зарядів того чи іншого знака та створювати напівпровідники з переважною концентрацією або негативно або позитивно заряджених носіїв.

Домішки можна розділити на донорні (що віддають) та акцепторні (що приймають).

Донорна домішка

• Від латинського «donare» – давати, жертвувати.

Розглянемо механізм електропровідності напівпровідника з донорною пятивалентной домішкою миш'яку As, яку вводять у кристал, наприклад, кремнію. П'ятивалентний атом миш'яку віддає чотири валентні електрони на утворення ковалентних зв'язків, а п'ятий електрон виявляється незайнятим у цих зв'язках (рис. 8).

Енергія відриву (енергія іонізації) п'ятого валентного електрона миш'яку в кремнії дорівнює 0,05 еВ = 0,08⋅10 -19 Дж, що у 20 разів менше енергії відриву електрона від атома кремнію. Тому вже за кімнатної температури майже всі атоми миш'яку втрачають один із своїх електронів і стають позитивними іонами. Позитивні іони миш'яку що неспроможні захопити електрони сусідніх атомів, оскільки всі чотири зв'язку вони вже укомплектовані електронами. І тут переміщення електронної вакансії - «дірки» немає і діркова провідність дуже мала, тобто. практично відсутня.

Донорні домішки- це домішки легко віддають електрони і, отже, що збільшують кількість вільних електронів. За наявності електричного поля вільні електрони приходять у впорядкований рух у кристалі напівпровідника, і у ньому виникає електронна домішна провідність. У результаті ми отримуємо напівпровідник з переважно електронною провідністю, що називається напівпровідником n-типу. (Від лат. negativus – негативний).

Оскільки у напівпровіднику n-типу число електронів значно більше числадірок, то електрони є основними носіями заряду, а дірки – неосновними.

Акцепторна домішка

• Від латинського «acceptor» – приймальник.

У разі акцепторної домішки, наприклад, тривалентного індія In атом домішки може дати свої три електрони для здійснення ковалентного зв'язку тільки з трьома сусідніми атомами кремнію, а одного електрона «бракує» (рис. 9). Один з електронів сусідніх атомів кремнію може заповнити цей зв'язок, тоді атом In стане нерухомим негативним іоном, а на місці від одного з атомів кремнію електрона утворюється дірка. Акцепторні домішки, захоплюючи електрони і створюючи цим рухливі дірки, не збільшують у своїй кількості електронів провідності. Основні носії заряду у напівпровіднику з акцепторною домішкою – дірки, а неосновні – електрони.

Акцепторні домішки- це домішки, що забезпечують діркову провідність.

Напівпровідники, у яких концентрація дірок перевищує концентрацію електронів провідності, називаються напівпровідниками р-типу (від латів. positivus – позитивний.).

Необхідно відзначити, що введення домішок у напівпровідники, як і в будь-яких металах, порушує будову кристалічних ґрат і ускладнює рух електронів. Однак опір не збільшується через те, що збільшення концентрації носіїв зарядів значно зменшує опір. Так, введення домішки бору в кількості 1 атом на сто тисяч атомів кремнію зменшує питому електричний опіркремнію приблизно в тисячу разів, а домішка одного атома індію на 10 8 - 10 9 атомів германію зменшує питомий електричний опір германію в мільйони разів.

Якщо напівпровідник одночасно вводяться і донорні, і акцепторні домішки, то характер провідності напівпровідника (n- або p-тип) визначається домішкою з вищою концентрацією носіїв заряду.

Електронно-дірковий перехід

Електронно-дірковий перехід (скорочено р-n-перехід) виникає в напівпровідниковому кристалі, що має одночасно області з n-типу (містить донорні домішки) і р-типу (з акцепторними домішками) проводами на кордоні між цими областями.

Припустимо, у нас є кристал, в якому зліва знаходиться область напівпровідника з дірочною (p-типу), а праворуч – з електронною (n-типу) провідністю (рис. 10). Завдяки тепловому руху при утворенні контакту електрони з напівпровідника n-типу дифундувати в область р-типу. При цьому в області n-типу залишиться некомпенсований іон позитивний донора. Перейшовши в ділянку з дірковою провідністю, електрон дуже швидко рекомбінує з діркою, при цьому в ділянці р-типу утворюється некомпенсований іон акцептора.

Аналогічно електронам дірки з області р-типу дифундують в електронну область, залишаючи в дірочній області некомпенсований негативно заряджений іон акцептора. Перейшовши до електронної області, дірка рекомбінує з електроном. Внаслідок цього в електронній області утворюється некомпенсований позитивний іон донора.

В результаті дифузії на кордоні між цими областями утворюється подвійний електричний шар різноіменно заряджених іонів. lякого не перевищує часток мікрометра.

Між шарами іонів виникає електричне поле з напруженістю. E i. Електричне поле електронно-діркового переходу (р-n-перехід) перешкоджає подальшому переходу електронів та дірок через межу розділу двох напівпровідників. Замикаючий шар має підвищений опір у порівнянні з іншими обсягами напівпровідників.

Зовнішнє електричне поле із напруженістю Eвпливає на опір замикаючого електричного поля. Якщо n-напівпровідник підключений до негативного полюса джерела, а плюс джерела з'єднаний з p-напівпровідником, то під дією електричного поля електрони в n-напівпровіднику та дірки в p-напівпровіднику рухатимуться назустріч один одному до межі розділу напівпровідників (рис. 11). Електрони, переходячи кордон, «заповнюють» дірки. При такому прямому напрямкузовнішнього електричного поля товщина замикаючого шару та його опір безперервно зменшуються. У цьому напрямку електричний струм проходить через рn-перехід.

Розглянутий напрямок p-n-переходу називають прямим. Залежність сили струму від напруги, тобто. вольт-амперна характеристикапрямого переходу, зображена на рис. 12 суцільною лінією.

Якщо n-напівпровідник з'єднаний з позитивним полюсом джерела, а p-напівпровідник - з негативним, то електрони в n-напівпровіднику та дірки в p-напівпровіднику під дією електричного поля будуть переміщатися від межі розділу у протилежні сторони (рис. 13). Це призводить до потовщення замикаючого шару і збільшення його опору. Напрямок зовнішнього електричного поля, що розширює замикаючий шар, називається замикаючим (зворотним). При такому напрямку зовнішнього поля електричний струм основних носіїв заряду через контакт двох п- та p-напівпровідників не проходить.

Струм через p-n-перехід тепер обумовлений електронами, які є в напівпровіднику p-типу, та дірками із напівпровідника n-типу. Але неосновними носіями заряду дуже мало, тому провідність переходу виявляється незначною, а його опір – більшим. Розглянутий напрямок p-n-переходу називають зворотним, Його вольт-амперна характеристика зображена на рис. 12 штриховою лінією.

Зверніть увагу, що масштаб вимірювання сили струму при прямому та зворотному переходах відрізняються у тисячу разів.

Зауважимо, що при певній напрузі, прикладеній у зворотному напрямку, відбувається пробій(тобто руйнування) p-n-переходу.

Напівпровідникові прилади

Термістори

Електричний опір напівпровідників значною мірою залежить від температури. Цю властивість використовують для вимірювання температури за силою струму в ланцюзі з напівпровідником. Такі прилади називають терморезисторамиабо термісторами. Напівпровідникова речовина міститься в металевий захисний чохол, В якому є ізольовані висновки для включення терморезистора в електричний ланцюг.

Зміна опору терморезисторів при нагріванні або охолодженні дозволяє використовувати їх у приладах для вимірювання температури, для підтримки постійної температури автоматичних пристроях- у закритих камерах-термостатах, для забезпечення протипожежної сигналізаціїі т.д. Існують термістори для виміру як дуже високих ( Т≈ 1300 К), так і дуже низьких ( Т≈ 4 - 80 К) температур.

Схематичне зображення (рис. а) та фотографія (рис. б) термістора наведено на малюнку 14.

Рис. 14

Фоторезистори

Електрична провідність напівпровідників підвищується при нагріванні, а й при освітленні. Електрична провідність зростає внаслідок розриву зв'язків та утворення вільних електронів та дірок за рахунок енергії світла, що падає на напівпровідник.

Прилади, у яких враховується залежність електричної провідності напівпровідників від освітлення, називають фоторезисторами.

Матеріалами виготовлення фоторезисторів служать з'єднання типу CdS, CdSe, PbS та інших.

Мініатюрність та висока чутливість фоторезисторів дозволяють використовувати їх для реєстрації та вимірювання слабких світлових потоків. За допомогою фоторезисторів визначають якість поверхонь, контролюють розміри виробів тощо.

Схематичне зображення (рис. а) та фотографія (рис. б) фоторезистора наведено на малюнку 15.

Рис. 15

Напівпровідниковий діод

Здатність p-n-переходу пропускати струм в одному напрямку використовується в напівпровідникових приладах, які називаються діодами.

Напівпровідникові діоди виготовляють із германію, кремнію, селену та інших речовин.

Для запобігання шкідливих впливівповітря і світла кристал германію поміщають у герметичний металічний корпус. Напівпровідникові діоди є основними елементами випрямлячів змінного струму(якщо точніше, служать для перетворення змінного струму на пульсуючий струм постійного напрямку.)

Схематичне зображення (рис. а) та фотографія (рис. б) напівпровідникового діода наведено на малюнку 16.

Рис. 16

Світлодіоди

Світлодіодабо світловипромінюючий діод- Напівпровідниковий прилад з p-n-переходом, що створює оптичне випромінювання при пропусканні через нього електричного струму.

Випромінене світло лежить у вузькому діапазоні спектру, його спектральні характеристики залежать у тому числі від хімічного складувикористаних у ньому напівпровідників.

Література

1. Аксенович Л. А. Фізика в середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Навч. посібник для установ, які забезпечують отримання заг. середовищ, освіти/Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракіна, К. С. Фаріно; За ред. К. С. Фаріно. – Мн.: Адукація i виховання, 2004. – C. 300-308.
2. Буров Л.І., Стрельченя В.Μ. Фізика від А до Я: учням, абітурієнтам, репетиторам. – Мн.: Парадокс, 2000. – С. 219-228.
3. Мякішев Г. Я. Фізика: Електродинаміка. 10 - 11 кл.: Підручник для поглибленого вивчення фізики / Г.Я. Мякішев, А.З. Синяков, Б.А. Слобідськ. - М: Дрофа, 2005. - С. 309-320.
4. Яворський Б. М., Селезньов Ю. А. Довідкове керівництво з фізики для вступників до вузів та самоосвіти. - М: Наука, 1984. - С. 165-169.

Напівпровідники займають проміжне місце електропровідності між провідниками і непровідниками електричного струму. До групи напівпровідників належить набагато більше речовин, ніж до груп провідників та непровідників, узятих разом. Найбільш характерними представниками напівпровідників, які знайшли практичне застосуванняу техніці, є германій, кремній, селен, телур, миш'як, закис міді та безліч сплавів і 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 нуля вони майже 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 кристалічній решітці 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 у кристалі германію набагато сильніше пов'язані з атомами, ніж у металах; тому концентрація електронів провідності при кімнатній температурі в напівпровідниках набагато порядків менше, ніж у металів. Поблизу абсолютного нуля температури у кристалі германію все електрони зайняті у освіті зв'язків. Такий кристал електричного струму не проводить.

При підвищенні температури деякі валентні електрони можуть 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 отримали назву «дірок».

При заданій температурі напівпровідника в одиницю часу утворюється певна кількість електронно-діркових пар. У той же час триває зворотний процес – при зустрічі вільного електрона з діркою, відновлюється електронний зв'язок між атомами германію. 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 впорядкований рух залучаються не лише 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 опір більш ніж п'ять порядків.

Напівпровідник, в який введена домішка (тобто частина атомів одного сорту замінена на атоми іншого сорту), називають домішковим або 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 прилад 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 п),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, в 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 «мінусу» і в результаті pn – перехід перетвориться на зону без вільних зарядів, 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 п,і дірок у зоні р - у кожній із зон є ще й мізерна кількість зарядів зворотного знака. Це власні неосновні носії заряду, 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 дуже залежить: від температури довкілля, матеріалу напівпровідника та площі p-nпереходу. Зі збільшенням площі переходу зростає його обсяг, отже зростає кількість неосновних носіїв які у результаті термогенерації і теплової струм. Часто ВАХ для наочності представляють у вигляді графіків.

До напівпровідників відносяться багато хімічні елементи(германій, кремній, селен, телур, миш'як та інших.), дуже багато металів і хімічних сполук. Майже всі неорганічні речовини навколишнього світу – напівпровідники. Найпоширенішим у природі напівпровідником є ​​кремній, що становить близько 30% земної кори.

Якісна відмінність напівпровідників від металів проявляється в залежності питомого опору від температури(Рис.9.3)

Зонна модель електронно-діркової провідності напівпровідників

При освіті твердих тілможлива ситуація, коли енергетична зона, що виникла з енергетичних рівнів валентних електронів вихідних атомів, виявляється повністю заповненою електронами, а найближчі доступні для заповнення електронами енергетичні рівнівідокремлені від валентної зони Е V проміжком невирішених енергетичних станів – так званої забороненою зоною Е g.Вище забороненої зони розташована зона дозволених для електронів енергетичних станів – зона провідності Е c .

Зона провідності при 0 К повністю вільна, а валентна зона повністю зайнята. Подібні зонні структури характерні для кремнію, германію, арсеніду галію (GaAs), фосфіду індія (InP) та багатьох інших твердих тіл, які є напівпровідниками.

При підвищенні температури напівпровідників та діелектриків електрони здатні отримувати додаткову енергію, пов'язану з тепловим рухом. kT. У частини електронів енергії теплового руху виявляється достатньо для переходу з валентної зони в зону провідності,де електрони під впливом зовнішнього електричного поля можуть рухатися практично вільно.

В цьому випадку, у ланцюгу з напівпровідниковим матеріалом у міру підвищення температури напівпровідника наростатиме електричний струм.Цей струм пов'язаний не лише з рухом електронів у зоні провідності, а й з появою вакантних місць від електронів, що пішли в зону провідностіу валентній зоні, так званих дірок . Вакантне місце може бути зайняте валентним електроном із сусідньої пари, тоді дірка переміститься на нове місце у кристалі.

Якщо напівпровідник поміщається в електричне поле, то впорядкований рух залучаються не лише вільні електрони, а й дірки, які поводяться як позитивно заряджені частинки. Тому струм Iу напівпровіднику складається з електронного I nта діркового I pструмів: I= I n+ I p.

Електронно-дірковий механізм провідності проявляється лише у чистих (тобто без домішок) напівпровідників. Він називається власною електричною провідністю напівпровідників. Електрони закидаються в зону провідності з рівня Фермі, який виявляється у власному напівпровіднику розташованим посередині забороненої зони(Рис. 9.4).

Істотно змінити провідність напівпровідників можна, ввівши в них дуже невелику кількість домішок. У металах домішка завжди зменшує провідність. Так, додавання до чистого кремнію 3 % атомів фосфору збільшує електропровідність кристала в 10 5 разів.

Невелике додавання домішки до напівпровідника називається легуванням.

Необхідною умовоюрізкого зменшення питомого опору напівпровідника під час введення домішок є відмінність валентності атомів домішки від валентності основних атомів кристала. Провідність напівпровідників за наявності домішок називається домішковою провідністю .

Розрізняють два типи домішкової провідності – електронну і дірочну провідності. Електронна провідністьвиникає, коли кристал германію з чотиривалентними атомами введені пятивалентные атоми (наприклад, атоми миш'яку, As) (рис. 9.5).

Чотири валентні електрони атома миш'яку включені в утворення ковалентних зв'язків з чотирма сусідніми атомами германію. П'ятий валентний електрон виявився зайвим. Він легко відривається від атома миш'яку і стає вільним. Атом, що втратив електрон, перетворюється на позитивний іон, розташований у вузлі кристалічної решітки.

Домішка з атомів з валентністю, що перевищує валентність основних атомів напівпровідникового кристала, називається донорською домішкою . Внаслідок її введення в кристалі з'являється значна кількість вільних електронів. Це призводить до різкого зменшення питомого опору напівпровідника – у тисячі та навіть мільйони разів.

Питомий опір провідника з великим змістомдомішок може наближатися до питомого опору металевого провідника. Така провідність, обумовлена ​​вільними електронами, називається електронною, а напівпровідник, який має електронну провідність, називається напівпровідником n-типу.

Діркова провідність виникає, коли кристал германію введені тривалентні атоми, наприклад, атоми индия (рис. 9.5)

На малюнку 6 показаний атом індію, який створив за допомогою своїх валентних електронів ковалентні зв'язки лише з трьома сусідніми атомами германію. На утворення зв'язку з четвертим атомом германію атом індію не має електрона. Цей недостатній електрон може бути захоплений атомом Індії з ковалентного зв'язку сусідніх атомів Німеччини. У цьому випадку атом індія перетворюється на негативний іон, розташований у вузлі кристалічних ґрат, а в ковалентному зв'язку сусідніх атомів утворюється вакансія.

Домішка атомів, здатних захоплювати електрони, називається акцепторною домішкою . В результаті введення акцепторної домішки в кристалі розривається безліч ковалентних зв'язків та утворюються вакантні місця (дірки). На ці місця можуть перескакувати електрони із сусідніх ковалентних зв'язків, що призводить до хаотичного блукання дірок по кристалу.

Концентрація дірок у напівпровіднику з акцепторною домішкою значно перевищує концентрацію електронів, що виникли через механізм власної електропровідності напівпровідника: n p>> n n. Провідність такого типу називається дірковою провідністю . Домішний напівпровідник з дірковою провідністю називається напівпровідником p-типу . Основними носіями вільного заряду у напівпровідниках p-типу є дірки.

Електронно-дірковий перехід. Діоди та транзистори

У сучасної електронної техніки напівпровідникові прилади грають виняткову роль. Останні три десятиліття вони майже повністю витіснили електровакуумні прилади.

У будь-якому напівпровідниковому приладі є один або кілька електронно-діркових переходів . Електронно-дірковий перехід (або n–p-перехід) - це область контакту двох напівпровідників з різними типамипровідності.

На межі напівпровідників (рис. 9.7) утворюється подвійний електричний шар, електричне поле якого перешкоджає процесу дифузії електронів та дірок назустріч один одному.

Здатність n–p-перехід пропускати струм практично тільки в одному напрямку використовується в приладах, які називаються напівпровідниковими діодами. Напівпровідникові діоди виготовляються із кристалів кремнію або германію. При їх виготовленні кристал з яким-небудь типом провідності вплавляють домішка, що забезпечує інший тип провідності.

На малюнку 9.8 наведено типову вольт - амперну характеристику кремнієвого діода.

Напівпровідникові прилади не з одним, а з двома n-p-переходами називаються транзисторами . Транзистори бувають двох типів: p–n–p-транзистори та n–p–n-транзистори. У транзисторі n–p–n-типу основна германієва пластинка має провідність p-типу, а створені у ньому дві області – провідністю n-Типу (рис.9.9).

У транзисторі p–n–p– типу все навпаки. Платівку транзистора називають базою(Б), одну з областей із протилежним типом провідності – колектором(К), а другу – емітером(Е).