10.1. Полупроводниковые материалы.

Полупроводники- это широкий класс материалов, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. При комнатной температуре удельное сопротивление

Наиболее широкое распространение получили полупроводниковые элементы германий (Ge) и кремний (Si), расположенные в четвертой группе периодической таблицы Менделеева, а также ряд соединений - арсенид галлия (GaAs), окись цинка (ZnO) и т.д.

Полупроводниковые материалы четвертой группы образуют кристаллическую решетку с парными ковалентными связями между атомами кристаллической решетки. Число ковалентных парных связей равно числу валентных электронов, т.е. четырем (рис. 10.1, а).

При температуре T=0°K в чистом полупроводнике отсутствуют носители электрического заряда. При повышении температуры некоторые ковалентные связи в кристаллической решетке нарушаются, что обусловлено температурными колебаниями атомов. При этом выделяются носители зарядов двух типов: отрицательные заряды-электроныиположительные заряды- “дырки”. Таким образом, при воздействии температуры в полупроводнике появляются носители электрических зарядов двух знаков.

Процесс образования носителей заряда под воздействием температуры называется термогенерациейносителей. Обратный процесс называетсярекомбинациейносителей.

В количественном отношении носители заряда в полупроводнике взаимно компенсируют друг друга. Электропроводность полупроводника, обусловленная образованием носителей заряда под действием температуры, называется собственной.

Рис 10.1 -- Электропроводность полупроводников: (а) - чистый полупроводник, (б) - электропроводность n-типа, (в) -электропроводность p-типа

Электропроводность n-типа.

На электропроводность полупроводников сильное влияние оказывают примеси. Если в полупроводниковый материал четвертой группы периодической таблицы добавить в виде примеси материал из пятой группы (например, фосфор Р), то четыре валентных электрона примеси образуют ковалентные связи с четырьмя валентными электронами полупроводника, а пятый валентный электрон примеси такой связи не образует, т.е. появляются носители электрического заряда - свободные электроны, которые могут свободно перемещаться по объему полупроводника.

Электропроводность полупроводника, обусловленная носителями электрического заряда отрицательного знака, т.е. свободными электронами, носит название электропроводности n-типа, а полупроводник, реализующий электропроводность n-типа, называется полупроводником n-типа (Рис. 10.1, б). Примесь, которая обусловливает электропроводность n-типа, называется донорной(отдающей). При образовании свободного электрона атом примеси приобретает положительный заряд и становится неподвижным ионом.

Электропроводность р-типа.

Если в полупроводниковый материал четвертой группы периодической таблицы добавить в виде примеси материал из третьей группы (например, индий Р), то три валентных электрона примеси образуют ковалентные связи с тремя валентными электронами полупроводника. Недостающий валентный электрон для образования ковалентной связи легко притягивается атомом примеси от одного из соседних атомов полупроводника. На месте разорванной ковалентной связи образуется носитель электрического заряда положительного знака (“дырка”), а атом примеси при этом приобретает отрицательный заряд и становится неподвижным ионом.

Электропроводность полупроводника, обусловленная носителями электрического заряда положительного знака, т.е. свободными дырками, носит название электропроводности р-типа, а полупроводник, реализующий электропроводность р-типа, называется полупроводником р-типа (Рис. 17.1, в). Примесь, которая обусловливает электропроводность р-типа, называется акцепторной(принимающей).

Носители электрического заряда, образующиеся в результате добавления примеси в полупроводник, количественно преобладают над носителями заряда, получаемыми в результате процесса термогенерации, поэтому электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике носят название основных носителей электрического заряда. В свою очередь, электроны в р-полупроводнике и дырки в п-полупроводнике носят название неосновных носителей электрического заряда.