Fizika - V. F. Dmitriyeva
.pdfПроте в період найвищого розвитку техніки і теорії електровакуумних приладів вони мають гідних конкурентів у вигляді різних напівпровідникових приладів. За порівняно короткий час ці прилади набули великого застосування в радіотехнічній апаратурі, оскільки мають ряд цінних якостей: великий строк служби, малі габарити, високу механічну міцність і незначне споживання енергії. Ці якості в сукупності забезпечують підвищення надійності роботи апаратури при одночасному скороченні витрати енергії на її живлення, маси і габаритів. До того ж у ряді випадків напівпровідникові прилади можуть виконувати функції, недоступні електронним лампам.
У20-х роках XX ст. О. В. Лосєв відкрив здатність напівпровідникових діодів (кристалічних детекторів) генерувати незгасаючі коливання. Проте розвиток техніки напівпровідників був припинений, переважно через недостатні знання фізичних основ роботи напівпровідникових приладів. Внаслідок цього вони тимчасово поступилися електровакуумним приладам, фізичні основи роботи яких були добре вивчені і експериментально обґрунтовані.
Уподальшому, в зв'язку з прогресивним розвитком фізики, і особливо фізики твердого тіла, було відкрито ряд важливих властивостей напівпровідників, які дали можливість значно розширити галузь використання напівпровідникових приладів і оцінити їх значення у майбутньому. Теоретичним і експериментальним дослідженням цих властивостей напівпровідників присвятили свої праці багато вчених. Найбільший вклад у цю справу внесли О. В. Лосєв, Б. І. Давидов, Д. І. Блохінцев, А. Ф. Йоффе та ін.
Будова атома
Залежно від здатності проводити електричний струм тверді тіла поділяють на провідники, напівпровідники та ізолятори. Відмінності в провідності між провідниками (металами), напівпровідниками та ізоляторами спричинені відмінністю в будові твердих тіл і електронних оболонок атомів, з яких вони складаються.
Атом будь-якого елемента складається з позитивно зарядженого ядра і електронів, які рухаються навколо ядра. Ядро складається з позитивно заряджених протонів і нейтральних нейтронів. Заряд ядра 2 визначається кількістю протонів. Заряд електрона за модулем дорівнює заряду протона.
Кількість електронів, які рухаються навколо ядра атома по замкнених орбітах, дорівнює порядковому номеру І елемента в періодичній системі Менделєєва, внаслідок чого за нормальних умов заряд атома речовини дорівнює нулю, тобто атом електрично нейтральний.
350
Електрони в атомі утворюють електронні оболонки з порядковими номерами п = 1, п ~ 2, и = 3,.... Електрони» які утворюють одну оболон-
ку |
мають ту саму енергію Еи Е2, |
На кожній оболонці може бу- |
мі |
2п2 електронів. Між оболонками лежить заборонений енергетичний |
|
рівень А.Е, ширина якого визначається різницею енергій, яку може мати спектром на оболонках:
АЕ ~ Е2 -Ех.
При цьому кожному елементу властиве цілком певне, характерне для нього розміщення електронів навколо ядра,.
Будова натшровідтжів
Розглянемо для прикладу один з типових напівпровідників - і срманій, порядковий номер якого 32, Чотири його електронні оболонки мають 32 електрони» На першій, найближчій до ядра оболонці, є 2, другій - X, третій - 18 і четвертій - 4 електрони (рис. 15Л), Електрони трьох внутрішніх оболонок - "стійкі" і не беруть участі в хімічних реакціях. Елект-
рони, розміщені на зовнішній оболонці, слабко |
|
зв'язані з ядром атома. їх називають зовнішні- |
|
ми^ або валентними, електронами, оскільки |
|
нони визначають валентність даного елемен- |
|
та - здатність його атомів входити в хіміч- |
|
ний зв язок з певною кількістю інших атомів. |
|
Так, валентність германію, який має на зовніш- |
|
ній оболонці 4 електрони, дорівнює чотирьом. |
|
При зближенні даного атома з іншим ато- |
Рис. 15.1 |
мом валентні електрони внаслідок слабкого |
|
зв'язку із своїм ядром легко взаємодіють з валентними електронами іншого атома, утворюючи з ним хімічний зв 'язок.
.Якщо оболонці надається деяка цілком певна енергія, то атом може іонізуватись. Для вивільнення електронів, розміщених у зовнішній оболонці атома, потрібна найменша енергія.
Кристалічні ґрат
Германій, кремній та багато інших представників класу напі «провідників є кристалічними речовинами; вони характеризуються певним закономірним розміщенням атомів» Атоми утворюють кристалічні і рати, які складаються з окремих елементарних комірок.
351
1
Кристалічні фати германію (а також і кремнію) подібні до ґрат алмазу (рис. 15.2, а). Для них характерна кубічна форма елементарної комірки, яка містить 8 атомів, Кожний атом германію, наприклад атом 2 на рис. 15.2, а, лежить на однаковій відстані від чотирьох сусідніх атомів
ґрат (атомів 1, 3-5) і утворює з ними ковалентні зв'язки, відомі як найстійкіші. Ці чотири атоми розміщені у вершинах правильного тетраедра, в центрі якого лежить даний атом (рис. 15.2, б).
Місця кристалічних ґрат, де розміщені атоми, називають вузлами ґрат. У природі не існує абсолютно чистих кристалів, і для технічної мети їх добувають за допомогою ряду складних технологічних операцій.
§ 136. Енергетичні рівні та енергетичні зони
Енергетичні рівні та енергетичні зони
Явища, які відбуваються в провідниках, можна пояснити, користуючись законами квантової механіки. Квантова механіка описує закони руху електронів у твердому тілі та їх взаємодію з кристалічними ґратами.
За законами квантової механіки, кожний електрон в атомі речовини може займати тільки певний дозволений енергетичний рівень. Усі інші енергетичні рівні для даного електрона неможливі, або, як їх називають,
заборонені.
На рис. 15.3, а графічно зображено енергетичні рівні електронів одного атома германію.
Точно описати взаємодію ядер і електронів - дуже складне завдання. Кожна частинка, яка входить до складу кристала, взаємодіє з безліччю сусідніх частинок, причому всі вони перебувають у безперервному русі. Розглядаючи кристал, насамперед треба знати, як поводяться в ньому електрони. Що відбувається з енергетичними рівнями атомів у твердому тілі? Якщо зблизити два атоми на відстань, меншу за 1 нм, то електронні оболонки цих валентних електронів перекриються так, що енергетичні рівні перестануть відповідати енергетичним рівням вільного атома.
352
Н процесі утворення кристала енергетичні рівні змінюються якісно, енергетичні рівні окремих помів трохи зсуваються. Якщо енергетичні рівні електрона в ізольованому атОхМІ є вузькими лініями, то тепер рівень розщеплюється. Тому в кристалі кожний електрон має свій, тільки йому властивий певний рівень енергії, що не збігається з рівнем енергії, який займає електрон у вільному атомі. Внаслідок безлічі енергетичних рівнів у кристалі і малої відмінності між ними ці рівні зливаються в безперервні широкі дозволені енергетичні зони, відокремлені забороненими
іонами (рис. 15.3, б). |
|
|
Розщеплення рівнів властиве всім електро- |
а |
б |
нам атома, але значення розщеплення для різ- |
|
Рис. 15.3 |
них рівнів різне, для внутрішніх оболонок воно |
|
|
дуже мале. Структуру зон визначають розщеплювані рівні валентних електронів.
Ширина енергетичної зони не залежить від розмірів кристала, а визначається його будовою, тобто природою атомів, які утворюють кристал.
Як було вже зазначено, найменшу енергію іонізації мають електрони зовнішньої, тобто валентної, оболонки германію, які й визначають електропровідність чистого германію. Енергетичні рівні зовнішніх валентних електронів утворюють валентну, або заповнену, зону. У цій зоні електрони перебувають у стійкому зв'язаному стані. Щоб вивільнити якийисбудь електрон цієї зони, треба затратити деяку енергію. Отже, електрони, які перебувають у вільному стані, займають вищі енергетичні рівні. Зона вищих енергетичних рівнів, розміщена вище від валентної зони і відокремлена від неї забороненою зоною, об'єднує незагювнені, або вільні, енергетичні рівні; її називають зоною провідності, або зоною збудження.
Провідники; напівпровідники, ізолятори
Щоб перенести електрон з валентної зони в зону провідності, ііому треба надати ззовні енергію. Ширина забороненої зони, яку має подолати електрон, щоб перейти із стійкого стану (із заповненої зони) у вільний с ган (у зону провідності), - один з основних критеріїв поділу твердих тіл на метали, напівпровідники та ізолятори. Наочно це подано на схемі розподілу дозволених і заборонених зон для напівпровідників та ізоляторів, зображеній на рис. 15.4.
І 2 Фізика |
353 |
|
і натдпробідник В |
Ізолятор |
|
|
Високу електропровідність ме- |
|||
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
талів пояснюють тим, що між ва- |
|
|
|
|
|
Зона пробійності |
|
||
|
|
|
|
|
|
лентною зоною і зоною провід- |
||
|
о ОН а ПроОшНиСті |
|
|
|||||
|
|
|
ності немає забороненої зони, а |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Заборонена |
|
також тим, що в зоні провідності |
|
|
_— |
|
|
|||||
|
|
|
ири кімнатній температурі с до- |
|||||
|
|
|
|
|
зона |
|
< 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
1 Заборонена |
|
|||||
|
|
|
|
|
статня кількість електронів* |
|||
|
|
1 зона |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
А |
і |
|
Щоб забезпечити електропро- |
|
Валентна 'зона |
|
відність напівпровідника, тобто пе- |
|||||
|
валентна зона |
|
||||||
|
|
ревести деяку кількість електронів з |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис» 15 А |
|
|
|||
|
|
|
|
|
валентної зони в зону провідності, |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
треба подолати заборонену зону АЕ. Для цього електронам треба надати енергію, не меншу від ширини забороненої зони. Ширина забороненої зони напівпровідників становить, наприклад, 0,72 еВ для германію і 1,11 еВ для кремнію. Значна ширина забороненої зони ізоляторів (понад 2 еВ) пояснює те, що цей клас речовин практично не має електропровідності.
§ 137. Електропровідність напівпровідників та її залежність від температури й освітленості
Власна провідність
У реальному твердому тілі, якщо вільних рівнів і зовнішнього збуджуючого поля немає, електрони можуть вільно переміщатися всередині кристалічних ґрат тіла, але такий хаотичний рух не спричинює утворення електричного струму. Це докорінно відрізняється від моделі зв'язаних електронів у діелектриках, за допомогою якої класична теорія пояснює відсутність у них провідності.
Коли електрон під зовнішньою дією переходить з валентної в зону провідності, то у валентній зоні залишається вакантне місце або дірка (білий кружечок на рис. 15.4).
Перехід частини електронів з валентної зони в зону провідності спри - чинює появу вільних рівнів у першій з них. Це дає можливість електронам валентної зони, які залишились, також брати участь в електричному струмі, переміщуючись по найближчих вільних рівнях у межах самої зони. Для зручності міркувань говорять не про рух електронів валентної зони, а про рух валентних місць (дірок).
Рух дірок еквівалентний руху позитивно заряджених частинок з зарядом, який дорівнює заряду електрона. У хімічно чистому напівпровіднику кількість електронів, які перейшли в зону провідності, дорівнює кількості дірок, що утворилися у валентній зоні. І ті й інші беруть участь в елект-
354
ричному струмі. Проте рухливість електронів більша, ніж дірок, тому дірковий струм не дорівнює половині загального струму.
Оскільки кількість електронів дорівнює кількості дірок, то питома провідність напівпровідника складається з електронної і діркової провідностей. Носії електричного заряду, які утворюються при переході електронів з валентної зони в зону провідності, називаються власними носіями, а провідність, зумовлена ними, - власною провідністю.
Домішкова провідність
Електропровідність напівпровідників визначається концентрацією електронів і дірок та їх рухливістю, а введення атомів домішок спричинює створення додаткових носіїв струму і підвищує електропровідність речовини. Тому більшість напівпровідників - домішкові.
Донорні ДОМІШКИ
Якщо в кристалічні ґрати германію ввести атоми миш'яку, сурми або інших речовин, атоми яких мають п'ять валентних електронів, го концентрація вільних електронів у напівпровіднику різко зростає. Пояснюється це тим, що чотири валентні атоми домішки беруть участь у створенні хімічного зв'язку з атомами германію.
П'ятий валентний електрон буде слабко пов'язаний з атомом домішки, тому він легко залишає м і ом і стає "вільним" (рис. 15.5, а).
Отже, в цьому разі домішкові а гоми віддають електрони, тоб-
то є донорами електронів, що й пояснює їх назву. Провідність, зумовлена рухом вільних електронів, називається електронною, або провідністю //-типу.
Лкцепторні ДОМІШКИ
Якщо в кристалічні ґрати германію ввести атоми індію, галію або інших тривалентних елементів, то характер провідності напівпровідника змінюється. Це пояснюється тим, що для утворення двохелектрон-
355
ного зв'язку з одним із сусідніх атомів германію в атома індію не вистачає одного електрона, тобто між цими двома атомами не заповнюється валентний зв'язок, або дірка (рис. 15.5, б). Кількість дірок у кристалі дорівнює кількості атомів домішки. Провідність, зумовлену рухом дірок, називають дірковою, або провідністю р-типу.
Залежність електропровідності від температури й освітленості
Отже, якщо ширина забороненої зони дорівнює нулю, то така речовина є провідником, якщо вона не перевищує 2 еВ, - напівпровідником, якщо перевищує 2 еВ, - ізолятором. Відмінність між провідниками і напівпровідниками особливо відчутна при зниженні температури, тоді як відмінність між напівпровідниками та ізоляторами із зниженням температури зникає.
Зменшення електропровідності металів з підвищенням температури пов'язане зі зменшенням рухливості електронів. Концентрація вільних електронів практично не залежить від температури.
У напівпровідників із зростанням температури рухливість електронів і дірок також спадає, але це не має важливого значення, оскільки при нагріванні германію кінетична енергія валентних електронів зростає і окремі зв'язки розриваються, що призводить до збільшення кількості вільних електронів, тобто до зростання електропровідності.
Під час освітлення напівпровідника в ньому утворюються додаткові носії, що спричинює підвищення його електропровідності. Внаслідок цього виникають такі процеси:
1.Світло вириває електрони з валентної зони і закидає їх у зону провідності, при цьому одночасно зростає кількість електронів і дірок.
2.Електрони із заповненої зони закидаються на вільні домішкові
рівні - зростає кількість дірок.
3.Електрони закидаються з домішкових рівнів у зону провідності.
§ 138. Напівпровідникові прилади
Термістори
Провідність напівпровідників насамперед залежить від температури: чим вища температура напівпровідника, тим краще він проводить струм. Прилади, які ґрунтуються на цьому ефекті, називають термоопорами, або термісторами. Термістори широко застосовують у техніці,
356
медицині та сільському господарстві. їх використовують для вимірювання температури в різних машинах і агрегатах, скрізь, де треба підтримувати сталу температуру і пов'язані з нею фізичні величини. За допомогою термісторів визначають температуру ґрунту на різній глибині. Чутливі термістори можна вводити безпосередньо в кровоносні судини. Чутливість цих приладів така велика, що на їх основі виготовляють приймачі променистої енергії, які називають болометрами.
Електронно-дірковий перехід (р-п-перехід)
Межа стикання двох напівпровідників, один з яких має електронну, а інший - діркову провідність, називають електронно-дірковим переходом, або р-п-переходом. Ці переходи мають велике практичне значення, оскільки вони є основою роботи багатьох напівпровідникових приладів. Практично /?-я-перехід здійснюється не механічним контактом двох різних напівпровідників, а внесенням донорних і акцепторних домішок у різні частини чистого напівпровідника.
Нехай два напівпровідники з різним типом електропровідності (р і п) спікаються один з одним. При цьому розпочнеться перехід (дифузія) електронів з и-області, де їх багато, в /7-область, де їх мало, і переміщення дірок у зворотному напрямі. Оскільки дірки й електрони - це заряджені частинки, то внаслідок їх дифузії виникне контактна різниця потенціалів між р- і ^-областями (рис. 15.6, а). Електрони і дірки на межі поділу двох напівпровідників створюють запірний шар, поле якого перешкоджає дальшому дифузному переміщенню носіїв заряду.
Прикладемо зовнішнє електричне поле до системи двох напівпровідників (як показано на рис. 15.6, б). У цьому разі напруженість зовнішнього поля збігається за напрямом з полем запірного шару. При такому напрямі зовнішнього електричного поля електрони, рухаючись проти поля, а дірки, рухаючись уздовж поля, виходять з області поблизу контакту. І Іри цьому запірний шар розширюється і ширина його залежить від при-
Одласть Запірний
Рис. 15.6
357
кладеної різниці потенціалів. У запірному шарі концентрація вільних електронів і дірок мала і він поводить себе як діелектрик. Очевидно, що в цьому разі електричний струм через /ь-я-перехід практично не проходить. Напрям зовнішнього поля, яке розширює запірний шар, називають запірним (зворотним).
Якщо змінюється напрям зовнішнього електричного поля (рис. 15.6, в), то змінюється напрям руху електронів і дірок на протилежні. В області р—п-переходу вони рекомбінують. При цьому ширина запірного шару і його опір зменшуються. Отже, в цьому напрямі електричний струм проходить крізь р-п-перехід від /^-напівпровідника до п -напівпровідника. Такий напрям струму називають пропускним, або прямим.
Отже, р-п -перехід мас однобічну провідність.
Діод
Напівпровідник з одним р-п -переходом називають напівпровідниковим діодом. На рис. 12.6, г зображено умовне позначення напівпровідникового діода.
Напівпровідниковий діод, як і двохелектродна електронна лампа (діод), має однобічну провідність. Напівпровідникові діоди мають значно простішу конструкцію і надійніші в роботі, ніж електронна лампа. Тепер вони майже зовсім витіснили скляні діоди в радіотехніці. Напівпровідниковий діод використовують для випрямляння змінного струму; він може працювати як детектор.
Якщо в напівпровідниковий матеріал внесено в 20-30 разів домішок більше, ніж звичайно, то дістають особливий клас діодів, які називають тунельними. Такі діоди застосовують як підсилювачі і генератори високої частоти.
Транзистор. Тріод
Для створення напівпровідникового тріода - транзистора - треба мати три складові частини напівпровідникового домішкового матеріалу: дві п- і одну р-типу або навпаки. Одну з можливих схем зображено на рис. 15.7, а. Для вмикання транзистора в коло використовують дві батареї. Одну вмикають плюсом на р-частину тріода, яку, називають емітером (Е), а мінусом - на середню «-частину, яку називають базою (Б). Іншу батарею вмикають плюсом на базу, а мінусом - на другу /^-частину, яку називають колектором (К). При такому вмиканні дірки емітера йдуть
358
у базу. Наступний рух дірок з бази в |
|
р Струм |
колектор здійснюється за рахунок іншої |
|
колектора |
|
П ) А |
|
батареї. |
Струм |
|
І.з збільшенням напруги першої ба- |
|
|
і \®аш |
І |
|
тареї зростає кількість дірок емітера, які |
|
|
через базу досягають колектора. Отже, |
|
|
напруга між базою і емітером керує стру- |
|
Рис. 15.7 |
мом колектора, як і напруга між сіткою |
|
|
і катодом у ламповому тріоді керує анодним струмом. На рис. 15.7, б зображено умовне позначення напівпровідникового тріода.
Застосування напівпровідників здійснило революцію в радіотехніці. Радіодеталі стали такими мініатюрними, що виникла можливість виготовляти друкарським способом так звані мікромодулі. Мікромодулі - це тонкі пластинки, на яких надруковані діоди, тріоди, опори, індукційні котушки та інші елементи радіосхем. Використовуючи різні комбінації мікромодулів, можна, виготовляти радіопристрої з наперед заданими параметрами.
Напівпровідники набувають дедалі більшого значення, збагачуючи фізику, хімію, біологію та інші науки. Використання напівпровідників ще не закінчено, і сьогодні не можна передбачити розвиток фізики напівпровідників.
Короткі висновки
•Відмінності в електропровідності між провідниками (металами), напівпровідниками та ізоляторами спричинені відмінностями в будові твердих тіл та електронних, оболонок атомів, з яких вони складаються.
•Якщо електрон під зовнішньою дією переходить з валентної зони в зону провідності, то у валентній зоні залишається валентне місце, або дірка. Оскільки кількість електронів дорівнює кількості дірок, то питома провідність напівпровідника складається з електронної і діркової провідностей. Носії електричного заряду, який утворюється при переході електронів з валентної зони в зону провідності, називають власними носіями, а провідність, зумовлену ними, - власною провідністю.
» Якщо в кристалічні ґрати напівпровідника (германію) ввести атоми інших речовин, які мають п'ять валентних електронів (миш'як, сурма та ін.), концентрація вільних електронів у провіднику різко зростає. Домішкові атоми є донорами електронів. Провідність, зумовлену рухом вільних електронів, називають електронною провідністю «-типу.
•Якщо в кристалічні грати напівпровідника ввести атоми тривалентних елементів (індій, галій та ін.), то концентрація дірок зростає. Таку провідність називають дірковою, або провідністю /ьтшту.
•Напівпровідники найбільше відрізняються від провідників тим, що із збільшенням їх температури та освітленості електропровідність напівпровідників зростає.
359