Проводимость полупроводников

В современной электронике практическое применение имеют следующие полупроводники: германий, кремний, селен, окись меди и др. Вокруг ядра атома германия, содержащего 32 протона, на четырех оболочках находятся 32 электрона; расположенные на наружной оболочке 4 валентных электрона и определяют электропроводность германия.

Схематически кристаллическая решетка чистого германия представлена на рис. 69. Объединение атомов германия в кристаллическую решетку осуществляется при помощи ковалентных, или атомных, связей. Рис. 69. Кристаллическая решетка чистого германия.

Вследствие теплового возбуждения происходит ионизация отдельных атомов кристаллической решетки, т. е. некоторые из валентных электронов становятся свободными, обусловливая электронную проводимость германия. В результате столкновений с ионами и атомами часть свободных электронов теряет энергию. Они возвращаются в валентную зону и занимают свое место в парноэлектронных связях. Одновременно с этим появляются новые свободные электроны. Наконец, устанавливается динамическое равновесие между освобождающимися электронами и возвращающимися в валентную зону.

В полупроводнике наряду с электроном имеет место так называемая дырочная проводимость полупроводника. После отрыва электрона от атома остается свободное место, которое называют дыркой. Валентный электрон соседнего нейтрального атома может перейти на притягивающий его атом с дыркой и заполнить освободившуюся связь. При этом дырка как бы «переходит» к соседнему атому. Если к полупроводнику не приложено внешнее электрическое поле, то дырки, так же как и свободные электроны зоны проводимости, перемещаются беспорядочно. Если полупроводник поместить в электрическое поле, то движение дырок становится направленным.

Это направленное движение дырок от одного атома к другому соответствует движению положительных зарядов через полупроводник, а следовательно, и протеканию через полупроводник тока в направлении движения дырок.

Проводимость полупроводника, вызванная движением дырок, называется дырочной или проводимостью типа р (от латинского слова positive — Положительный), в отличие от проводимости типа n  (от латинского слова negative — отрицательный), обусловленной движением электронов.

Токи, вызванные электронной и дырочной проводимостями, совпадают по направлению и поэтому

I_общ = I_n + I_p.                                     (87)

где I_n — электронный ток; I_p — дырочный ток.

Проводимость полупроводника, возникающая в полупроводнике вследствие нарушения валентных связей, называется собственной проводимостью.

Таким образом, проводимость полупроводника определяется как движением электронов в зоне проводимости, так и движением электронов в валентной зоне, однако принято считать, что в валентной зоне перемещаются не электроны, а дырки.

Чистые полупроводники редко применяются в полупроводниковой технике. Обычно используются примесные полупроводники. Введение в полупроводник атомов соответствующей примеси способствует образованию дополнительных носителей тока, что приводит к повышению электропроводности иногда в десятки миллионов раз. В чистом  полупроводнике «поставщиком» электронов в зону проводимости может быть валентная зона. Введение примесей в полупроводник должно  способствовать переходу электронов в зону проводимости.

Существуют два вида примесей. В примесях первого вида энергетические уровни электронов примеси располагаются в запрещенной зоне полупроводника вблизи зоны проводимости.   Поэтому атомы примеси, являясь поставщиками электронов в зону проводимости, легко отдают в нее электроны, поскольку электронам при этом следует сробщить меньшую энергию ∆Е₁, а не ∆Е, как в полупроводнике без примеси (рис. 70, а). Примесные уровни при температуре выше абсолютного нуля отдают свои электроны в зону проводимости тем интенсивнее, чем выше температура полупроводника. Примесные уровни такого вида называются донорными уровнями, а сами примеси — донорами (donarе — дарить, лат.).

Примесные уровни второго вида называются акцепторными, а сами примеси — акцепторами. Акцепторные уровни располагаются около валентной зоны. При абсолютном нуле температуры акцепторные уровни свободны, т. е. не заполнены. Поэтому при температуре, отличной от абсолютного нуля, на такие уровни могут перейти электроны из валентной зоны, и так как ∆Е₂ < ∆Е, то число этих электронов будет больше, чем количество электронов, переходящих в зону проводимости (рис. 70, б). Уход электронов из валентной зоны дает возможность оставшимся здесь электронам, при наличии постороннего электрического поля, принять участие в проводимости в пределах этой зоны. При этом, как указывалось выше, дырки будут двигаться в направлении действия электрического поля.

Таким образом, электропроводность полупроводника можно увеличить путем введения донорной примеси (за счет возрастания электронов в зоне проводимости) либо путем введения акцепторной примеси (за счет возрастания числа дырок в валентной зоне). Рис. 70. Виды примесей в полупроводнике: а — расположение донорных уровней; б — расположение акцепторных уровней.

В настоящее время из полупроводниковых элементов наибольшее применение нашли германий и кремний. Германий является очень редким элементом: содержание его в земной коре составляет менее 7·10-4%. Исходным продуктом для получения чистого германия является двуокись германия (GеO₂), восстанавливаемая в водороде.
Кремний, наоборот, — один из самых распространенных элементов в природе и запасы его неисчерпаемы. Однако получение чистого кремния затруднено из-за высокой температуры плавления (более 1400° С) и большой химической активности в жидком состоянии.

Если в четырехвалентный германий добавить пятивалентный мышьяк или фосфор (донорную примесь), то примесные атомы займут в кристаллической решетке места отдельных атомов германия. При этом около каждого атома примеси остается один валентный электрон, не связанный с окружающими атомами германия (рис. 71). Рис. 71. Кристаллическая решетка германия с примесью фосфора.

При температуре, отличающейся от абсолютного нуля, этот электрон может покинуть атом примеси и стать свободным, причем возникновение свободных электронов не связано с появлением дырки. Для ионизации атома чистого германия необходима энергия 0,72 эв, тогда как для ионизации примесного атома требуется энергия 0,015 эв. Поэтому уже при комнатной температуре все свободные электроны донорной примеси находятся в зоне проводимости. Германий с донорной примесью называется германием n-типа. Если к нему приложить электрическое поле, то в полупроводнике появится ток.

При добавлении в четырехвалентный германий трехвалентного индия или галлия атом примеси, заняв место атома германия в кристаллической решетке, не будет иметь достаточного числа электронов для образования ковалентной связи (рис. 72). При температуре выше абсолютного нуля один из валентных электронов соседних атомов, получив достаточную энергию, заполнит недостающую связь. Примесный атом становится отрицательным ионом, а в том месте, откуда ушел электрон, образуется дырка. При этом свободный электрон не появляется, количество свободных электронов в зоне проводимости остается прежним. Для того чтобы электрон от атома германия перешел к атому примеси, ему надо сообщить энергию порядка 0,1 эв, в то время как для того, чтобы электрону от примесного атома перейти в зону проводимости, надо затратить энергию в 0,72 эв. При обычной комнатной температуре большинство электронов германия переходит к примесным атомам. Германий с акцепторной примесью называется германием р-типа.

В германии n-типа много свободных электронов, они рекомбинируют с дырками и уменьшают их количество; аналогично в германии р-типа много дырок, они рекомбинируют с электронами и уменьшают их количество.

При значительной концентрации примеси проводимость полупроводника определяется основными примесными носителями. Так, в германии n-типа основными носителями являются электроны, неосновными — дырки, а в германии р-типа основными носителями являются дырки, а неосновными — электроны. Примесные полупроводники электрически нейтральны и обладают проводимостью, определяемой видом примеси. Рис. 72. Кристаллическая решетка четырехвалентного германия  с примесью трехвалентного индия.