−

3.7.ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

3.7.1.Полупроводники

Наряду с металлическими проводниками существуют и проводники другого типа. Как и у металлов, проводимость у них электронная, и ток не сопровождается химическими изменениями. Однако концентрация электронов в них намного меньше, чем у металлов и сильно увеличивается с возрастанием температуры. Вещества такого типа называют электронными полупроводниками. Они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Принято относить к ним вещества, удельная электропроводность которых лежит в пределах 10-8 Ом-1 м-1 < σ < 107 Ом-1 м–1. Полупроводниками являются многие элементы – кремний, германий, селен и др., а также многие химические соединения. Сильная зависимость электропроводности, а, следовательно, концентрации носителей тока от температуры в полупроводниках показывает, что в них электроны проводимости возникают под действием теплового движения.

Взаимодействие между атомами в полупроводниках не достаточно для отщепления свободных электронов. Для этого электронам необходимо сообщить добавочную энергию W – энергию ионизации, которая берется за счет тепла. Так, для кремния она составляет 1,09 эВ, для германия 0,72 эВ. Энергия же теплового движения при комнатной температуре (T ~ 300K) составляет

0,025 эВ.

В атомной физике принята внесистемная единица энергии 1 эВ (электронвольт). Эта энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциа-

лов в 1 В (1 эВ=1,6 10−19 Кл 1В=1,6 10−19 Дж).

3.7.2. Собственная проводимость полупроводников

При отличной от нуля температуре часть электронов атомов полупроводника (валентные электроны) под влиянием запасенной тепловой энергии получают возможность отрываться от своих атомов и становятся электронами проводимости. С повышением температуры увеличивается интенсивность тепловых колебаний решетки кристалла, что приводит к дополнительному разрыву связей валентных электронов с атомами. Соответственно растет с температурой

и проводимость полупроводников.			Ge
Можно показать, что
−	W
σ = σ0e	2kT ,	(3.7.1)
где σ0 – удельная электропроводность при 00С,			+
W – энергия ионизации, k – постоянная Больцмана,
Т – температура.		электронной
Такую	проводимость называют		E
проводимостью.
			Рис. 3.7.1
Разрыв валентной связи приводит к появлению

−

вакантного места с отсутствующей связью, что эквивалентно наличию положительного заряда, называемого «дыркой». Это дает возможность для дополнительного переноса заряда. Какой-либо электрон может перейти на место дырки, но зато появится дырка в другом месте. В эту новую дырку может перейти другой электрон и т.д. Рассмотренный процесс получил название дырочной проводимости. Таким образом, в полупроводниках имеются носители заряда двух типов – отрицательные электроны и положительные дырки. Участвуя в проводимости, дырка перемещается по полупроводнику в направлении внешнего поля. Схематично такой процесс изображен на рис. 17.1 для решетки германия, где двойные линии – валентные связи атомов. При данной температуре в полупроводнике устанавливается равновесная концентрация электронов и дырок.

3.7.3. Примесная проводимость полупроводников

При наличии примесей электропроводность полупроводников сильно изменяется. Например, миллионные доли мышьяка могут привести к увеличению проводимости германия при комнатной температуре в 1000 раз. Такое влияние примесей объясняется представлениями о строении полупроводников. Рассмотрим для примера примесные атомы 5-валентного мышьяка в решетке 4-

валентного германия (рис. 3.7.2).	Ze	Ze
«Лишний» пятый электрон фосфора легко отрывает-
ся от атома вследствие либо слабого внешнего поля, об-		As
разуя свободный электрон проводимости. Образование
же дырки не происходит. Подобные примеси, вызываю-	Ze
щие появление электронов проводимости, называют до-		Ze
норными примесями, а соответствующую проводимость		Рис. 3.7.2
полупроводников – электронной или проводимостью n-

типа (negative – отрицательный).

Если примесный атом имеет валентность на единицу меньшую, чем атомы кристаллической решетки, то недостающий электрон будет захвачен из соседних мест кристалла, в соответствующем месте образуется дырка, а атом примеси превратится в отрицательный ион. Например, 3-валентный атом бора в 4- валентной решетке кремния (рис. 3.7.3). В этом случае электрический ток будет обусловлен движением дырок, а не электронов. Такие примеси, вызывающие появление дырок, называют акцепторными примесями, а проводимость

полупроводников – проводимостью	р-типа – дырочной			(positive –
положительный).			Si
Носители заряда, представленные в	Si			Si
большинстве, называются основными. Если
же концентрации электронов и дырок срав-		B	+
нимы, то проводимость называют смешан-
ной.	Si		Si	Si
В этом случае плотность тока определя-			Si
ют по формуле
j = e(neue + npup ),		Рис. 3.7.3