Раздел 6 Полупроводники

Вопрос: Электропроводность полупроводников

Ответ:

Полупроводники — это материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и непроводниками. Удельное сопротивление проводников лежит в границах 10^-6÷ 10 ^-3 ом •см; удельное сопротивление полупроводников составляет 10 ^-3 ÷ 10 ^-9 ом •см.

Для полупроводников характерна сильная зависимость проводимости их от температуры, напряженности электрического и магнитного поля, освещенности, сжатия и т.д.

В электротехнике наиболее широкое применение получили: германий, кремний, селен, закись меди и др.

Рис.7 Ковалентная связь атомов.

Химическую связь двух соседних атомов, обусловленную образованием общей пары электронов, вращающихся по одной орбите (рис. 7, а), называют парноэлектронной или ковалентной. Она условно изображается двумя линиями, соединяющими атомы (рис. 7, б).

Германий принадлежит к элементам четвертой группы периодической системы элементов Менделеева. Следовательно, он имеет на внешней орбите четыре валентных электрона. В кристалле германия каждый атом образует парноэлектронные связи с четырьмя соседними атомами (рис. 8).

При температуре, близкой к абсолютному нулю, в кристалле германия при отсутствии примесей все валентные электроны атомов взаимно связаны, свободных электрон нет, следовательно, кристалл не обладает проводимостью. При повышении температуры увеличивается энергия электронов, что приводит к частичному нарушению ковалентных связей и появлению свободных электронов. Германий уже при комнатной температуре становится полупроводником.

Под действием внешнего электрического поля свободные электроны перемещаются, обусловливая электронную проводимость (п- проводимость).

Рис.8 Схема парноэлектронных связей в кристаллической решетке германия.

В момент образования свободного электрона в ковалентных связях образуется свободное место — «электронная дырка».

При наличии дырки какой-либо из электронов связи может занять место дырки и нормальная связь в этом месте восстанавливается, но разрушается в другом месте, эту новую дырку может занять еще какой-либо электрон и т. д. Под действием внешнего электрического поля происходит перемещение дырок в направлении поля.

Перемещение дырок эквивалентно току положительных зарядов, величина которых равна зарядам электронов. Этот процесс называется дырочной проводимостью (р-проводимость).

Таким образом, проводимость полупроводника складывается из электронной и дырочной проводимостей.

При нарушении парноэлектронных связей в кристалле одновременно возникает одинаковое число свободных электронов и дырок. Если, с одной стороны, с повышением температуры происходит образование пар электрон-дырка, то, с другой стороны, происходит их частичное воссоединение.

При каждой температуре в единице объема полупроводника число пар в среднем остается постоянным. Электропроводность полупроводников, лишенных примесей называется собственной электропроводностью полупроводника. Собственная проводимость полупроводников несоизмеримо меньше, чем металлов.

Примесная электропроводность

Свойства полупроводника можно изменить, внеся в него ничтожное количество примеси. Вводя в кристалл полупроводника атомы других элементов, можно получить в кристалле преобладание свободных электронов над дырками, или, наоборот, преобладание дырок над свободными электронами.

Например, при замещении в кристаллической решетке атома германия атомом мышьяка, имеющим пять валентных электронов, четыре электрона мышьяка образуют заполненные связи с соседними атомами германия, а пятый электрон, слабо связанный с атомом мышьяка, превратится в свободный. Потеряв пятый валентный электрон, атом мышьяка становится положительным ионом. За счет этих электронов, отданных примесью, возрастает проводимость примесного полупроводника.

При замещении атома германия атомом индия, имеющим три валентных электрона, они вступают в ковалентную связь с тремя атомами германия, а связи с четвертым атомом германия будут отсутствовать, так как у индия не хватает четвертого электрона. Восстановление всех связей возможно, если недостающий четвертый электрон получается от ближайшего атома германия. Но в этом случае на месте электрона, покинувшего атом германия, появится дырка, которая будет заполняться электроном из соседнего атома германия. Процесс последовательного заполнения свободной связи равноценен движению дырок в полупроводнике. Таким образом, примесь индия обеспечивает дырочную проводимость кристалла германия.

Полупроводники с преобладанием электронной проводимости называются полупроводниками типа п (от латинского слова negative — отрицательный), а полупроводники с преобладанием дырочной проводимости — типа р (от латинского positive положительный). Носители заряда, определяющие собой род проводимости в примесном полупроводнике, называются основными (электроны в п полупроводнике или дырки в р полупроводнике), а носители заряда противоположного знака — неосновными.

В зависимости от процентного содержания примеси электрическая проводимость примесного полупроводника возрастает по сравнению с проводимостью чистого полупроводника в десятки и сотни тысяч раз. Например, если в нормальных условиях в 1 см³ чистого германия содержится примерно 10²² атомов и 10¹³ электронов проводимости и дырок, то примесь мышьяка в количестве 0,001% вызовет появление в том же объеме дополнительно 10¹⁷ электронов проводимости, которые обеспечат увеличение электронной проводимости примерно в 10 000 раз.

Литература:

1.Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.Б. Электротехнические материалы. – Л.: Энергоатомиздат, 1985;

2.Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. Высшая школа, 2003;

3.Новиков Л.И. Методические указания к лабораторным занятиям №1-4по курсу «Электротехнические материалы и материаловедение». Киров, ВятГТУ, 2003.

4.Коробейников С.М. Диэлектрические материалы: Учебное пособие, Новосибирск, НГТУ, 2000.

5.Богородицкий Н.П. и др. Электротехнические материалы: Учебник для электротехн. и энерг. спец. вузов / Н.П.Богородицкий, В.В.Пасынков, Б.М.Тареев. - 7-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985.

6.Справочник по электротехническим материалам: в 3-х т. / Под ред. Ю.В.Корицкого и др. - 3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат