Полупроводники
Полупроводник – это материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками, от проводников он отличается сильной зависимостью удельной проводимости от воздействия различных видов излучения, температуры, а также от степени концентрации различных примесей.
Удельная проводимость – это способность среды или тела проводить электрический ток.
Полупроводник представляет собой кристаллическое вещество, у которого ширина запрещенной зоны порядка электрон-вольт. Например, алмаз относится к широкозонным полупроводникам, а такое вещество, как арсенид индия к узкозонным. К полупроводникам относятся многие химические элементы (кремний, селен, германий, мышьяк, теллур и т.п.), а также большое количество химических соединений и сплавов. Полупроводники классифицируются по:
- Характеру проводимости. Согласно данному признаку полупроводники делятся на полупроводники с собственной проводимостью и проводники с примесной проводимостью.
- Виду проводимости. Согласно данному признаку полупроводники делятся на электронные и дырочные полупроводники.
Электрофизические свойства полупроводников
Полупроводники являются теми материалами, на основе которых разработаны элементы, широко используемые в информационной технике. В качестве основного материала могут использоваться кремний, арсенид галлия и германий, а в качестве примесей используются бор, фосфор, индий, сурьма и т.п.
В кристаллической решетке четырехвалентного полупроводника, например, германия или кремний, каждый атом с соседними атомами связан при помощи двух валентных электронов (по одному от каждого атома), а такая связь называется валентной. В случае ее образования электрон не принадлежит одному атому, а принадлежит двум атомам, которые связаны между собой, то есть является общим, как показано на рисунке ниже.
Рисунок 1. Валентная связь. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Таким образом внешний слой электронной оболочки каждого атома решетки имеет восемь электронов, являясь полностью заполненным, поэтому электронная оболочка каждого атома устойчива по отношению к внешним воздействиям. В рассматриваемом кристалле все валентные электроны связаны между собой - свободные электроны отсутствуют, а участвовать в переносе зарядов нечему. Такая кристаллическая решетка свойственна беспримесным полупроводникам при температуре «абсолютный ноль».
При воздействии внешних факторов, например, увеличение температуры, некоторые электроны атомов кристаллической решетки приобретают энергию, которой достаточно для их освобождения от ковалентных связей, поэтому они могут совершить переход из валентной зоны в зону проводимости, таким образом став свободными. У данного процесса вероятностный характер. Когда электрон освобождается из ковалентной связи, появляется свободное место, которое обладает положительным зарядом (равный абсолютному значению заряда электрона). Освободившееся место называется дыркой, а процесс ее образования -генерацией. В дырку может переместиться валентный электрон (из ковалентной связи соседнего электрона). В результате этого ковалентная связь в одном атоме восстановится (рекомбинация), а в соседнем разрушится. Перемещение дырок по кристаллу равносильно перемещению положительного заряда.
В случае отсутствия внешнего электрического поля дырки в кристалле перемещаются в хаотичном порядке. Когда к кристаллу прикладывается разность потенциалов, то из-за воздействия электрического поля движение дырок становится упорядоченным, а в кристалле появляется электрический ток. Получается, что проводимость полупроводника обусловлена перемещением положительно заряженных дырок и отрицательно заряженных свободных электронов. Так различают:
- Дырочную проводимость.
- Электронную проводимость.
В химически чистом полупроводнике количество дырок в всегда равно числу свободных электронов, а электрический ток создается благодаря одновременным переносам зарядов обоих знаков. Такая проводимость называется собственная проводимость полупроводника и зависит от энергетических воздействий, освещенности, облученности и температуры.
При пятивалентной примеси (изображенной на рисунке ниже) четыре валентных электрона атома примеси с четырьмя электронами соседних атомов основного вещества образуют ковалентные связи, а пятый становится лишним. Лишние электроны могут образовываться даже при комнатной температуре. При данном процессе в узлах кристаллической решетки возникают положительно заряженные ионы примесных атомов, являющиеся неподвижными.
Рисунок 2. Пятивалентная примесь. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В случае трехвалентной примеси (рисунок ниже) в одной из ковалентных связей каждого атома примеси отсутствует электрон - образуется дырка. Валентные электроны находятся на энергетическом уровне, который располагается близко к зоне валентных электронов полупроводника. Таким образом валентные электроны валентной зоны легко захватываются электронами атомов примеси, что способствует перемещению дырок по решетке, представляя собой основные носители заряда.
Рисунок 3. Трехвалентная примесь. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
