ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Способность вещества к образованию в нем электрического тока, как уже говорилось в § 2.2, определяется удельной электрической проводимостью. По этому признаку полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Величины удельной проводимости полупроводников находятся в широком интервале — от 10 до 10-io_J__ Ом см Электрические свойства полупроводников Полупроводниками являются многие минералы, некоторые металлы, окислы и сульфиды металлов и т. д. В Периодической таблице Менделеева полупроводники представлены группой элементов, к которым относятся германий, кРемний, селен, теллур и др. Способность к образованию электрического тока связана с концентрацией свободных электронов и возможностью их направленного перемещения в веществе. Рис. 2.9 раз меньше, чем в металле. Этим объясняется количественное различие в величинах их удельной электрической проводимости. Сравнение металлов и полупроводников показывает также существенную разницу во влиянии температуры на их проводимость. С ростом температуры проводимость металлов уменьшается, проводимость же полупроводников увеличивается. При увеличении температуры в полупроводнике, так же как и в металле, уменьшается возможность направленного движения свободных электронов, что связано с увеличением числа столкновений. Но в отличие от металлов в полупроводнике одновременно резко увеличивается концентрация свободных электронов. Эти факторы влияют на проводимость противоположно: с ростом числа столкновений проводимость уменьшается, а с ростом концентрации — увеличивается. В металлах концентрация свободных электронов от температуры практически не зависит, поэтому изменение (уменьшение) проводимости при росте температуры связано только с уменьшением возможности направленного движения свободных электронов. В полупроводнике же влияние роста концентрации сильнее, поэтому с ростом температуры проводимость увеличивается. Электронная и дырочная электропроводности В полупроводниках, так же как в металлах, электрический ток образуется электронами. Однако при рассмотрении электропроводности полупроводников полагают, что в них имеется два вида носителей заряда: электроны и дырки. Если некоторый электрон получает извне энергию, достаточную, чтобы порвать парно-электронную связь между атомами, то он становится свободным. Освобожденное электроном место в межатомной связи условно называют дыркой, причем отсутствие электрона равноценно наличию в этом месте такого же по величине положительного заряда. На не замещенное электроном место может перейти другой электрон, порвавший связь с атомом и образовавший новую дырку. Такое последовательное замещение и освобождение электронами мест в межатомных связях рассматривается как движение дырок, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Движение свободных электронов обусловливает электронную электропроводность (типа п), а движение дырок — дырочную (типа р). Скорость движения электронов значительно превышает скорость дырок, поэтому электропроводность большинства чистых полупроводников является в основном электронной. Для увеличения проводимости полупроводника и придания ей четко выраженного типа п или р к сверхчистому полупровод- ику добавляют очень малое количество примеси (10 6— 1(Г5%). Различают два вида примесей. К первому виду относятся химические элементы с большей валентностью, а ко второму — элементы с меньшей валентностью, чем валентность полупроводника. В первом случае примесная электропроводность оказывается электронной (типа л), во втором — дырочной (типа р). Предположим, что в качестве основного вещества используется четырехвалентный германий Ge. Между соседними атомами чистого германия имеется четырехсторонняя химическая связь соответственно числу валентных электронов (рис. 2.11). Атомы введенной примеси (пятивалентной сурьмы Sb) занимают места атомов германия в кристаллической решетке (рис. 2.11, а). При этом четыре валентных электрона атома сурьмы образуют химические связи с валентными электронами атомов германия. Пятый электрон оказывается «лишним», менее связанным со своим атомом; он легко попадает в зону проводимости, т. е. становится свободным. Примесный атом трехвалентного индия In также может заменить в кристаллической решетке атом германия (Рис. 2.11, б). Но для образования четырехсторонней связи с соседними атомами у атома индия не хватает одного электрона, поэтому в валентной связи образуется свободное место —дырка. Явление в контакте двух металлов Большое значение для практики имеют явления в контакте ^вУх металлов, а также полупроводников, из которых один обладает электронной, а другой дырочной электропроводностью. Рассмотрим контакт двух металлов 1 и 2, обладающи разными величинами работы выхода электронов (рис. 2.12). Металл 2 имеет меньшую работу выхода, т. е. верхни уровень энергии электронов у него выше, чем у металла 1 (рис. 2.12, а). Обладая большой энергией, электроны могут покинуть металл 2. При установлении контакта начинается переход электронов из металла 2 в металл 1, причем этот процесс совершается за счет электронов с более высоким уровнем энергии (рис. 2.12, б). В результате энергетический уровень электронов в металле 2 понижается, а в металле 1 повышается; в металле 2 образуется избыток положительного заряда, а в металле 1 — избыток отрицательного заряда. Происходящее на границе металлов выравнивание энергетических уровней сопровождается возникновением контактной разности потенциалов Ut в пограничном слое некоторой толщины / (толщина / соизмерима с размером атомов). Величина контактной разности потенциалов пропорциональна разности работ выхода. В соответствии с формулой (2.11) Ut=(A1-A2)/e. (2.12) Электрическое поле, образовавшееся в результате диффузии электронов из одного металла в другой, препятствует движению электронов через контакт. По мере перехода электронов увеличивается разность потенциалов UK и усиливается электрическое поле, противодействующее движению электронов. Процесс заканчивается по достижении равновесия, при котором силы электрического поля равны сторонним силам, вызывающим диффузию электронов из одного металла в другой. Контактная разность потенциалов получает установившуюся величину, образуя для электронов определенный потенциальный барьер. н контакте роводности (электронной и дырочной) сс гр° о-дырочный (п-р) переход: электроны из и-полупроводника ходят в /^-полупроводник (рис. 2.13). В обратном направ-JfiP* идет диффузия дырок. В приконтактных слоях полу-u'водников создаются избыточные заряды разных знаков: п' ,чупроводник получает отрицательный, а и-полупровод-Рл' __ положительный заряд. н* 'Электрическое поле на границе создает потенциальный барьер , препятствующий дальнейшему перемещению электронов и ды-ок Благодаря наличию контактной разности потенциалов ' 1ектронно-дырочный переход имеет одностороннюю электропроводность, т. е. обладает вентильным свойством. ' Предположим, что к полупроводникам, образующим п-переход, подведено напряжение от постороннего источника (рис. 2.14, а) плюсом к р-полупроводнику, в результате чего на границе полупроводников образуется электрическое поле с напряженностью Е. Электрическое поле возникшее на границе полупроводников в результате диффузии электронов и дырок, становится слабее под действием источника; потенциальный барьер оказывается тем ниже, чем больше приложенное напряжение. Соответственно увеличивается количество носителей заряда (электронов и дырок), переходящих из одной области полупроводника в другую. При некоторой величине приложенного напряжения потенциального барьера не будет, тогда противодействие заряженным частицам определяется только омическим сопротивлением полупроводника [см. формулу (2.8)]. Если изменить полярность приложенного напряжения (рис. 2.14, б), то электрическое поле в м-р-переходе усиливается, потенциальный барьер увеличивается. Поэтому для основных носителей заряда создается большое сопротивление. В направлении от и-полупроводника J. создается элект- ный обратный ток в цепи может поддер / живаться за счет неосновных носителе / заряда (электронов в полупроводник ^ — ^ с дырочной электропроводностью и ды ( рок в полупроводнике с электронно^ электропроводностью), которые появля-Рис- 2-15 ются в малом количестве. По этой же¦ причине с ростом напряжения источника обратный ток прак тически не увеличивается. Полупроводник с электронно-дырочным переходом по свои\^ вентильным свойствам аналогичен электровакуумному диоду и поэтому называется полупроводниковым диодом На рис. 2.15 показана его вольт-амперная характеристика. Контрольные вопросы 1. Какие вещества относятся к полупроводникам? 2. В чем состоит основная особенность электропроводности полупровод ников по сравнению с металлами? 3. Как влияют на электропроводность полупроводников примеси? 4. Объясните возникновение контактной разности потенциалов в контакте] двух металлов или двух полупроводников. 5. Чем отличается электронная электропроводность от дырочной? 6. Почему чистый полупроводник имеет в основном электронную электропроводность? 7. Что такое электронно-дырочный переход?