1.2Собственные и примесные полупроводники

1.2.1Собственные полупроводники

Электропроводность имеет место в том случае, когда имеются свободные носители зарядов, которые могут перемещаться по действием электрического поля. Рассмотрим происхождение свободных носителей заряда в полупроводниках. Чистый материал, не содержащий примесей влияющих на электропроводность, является собственным полупроводником. При температуре абсолютного нуля в нем нет свободных носителей заряда и он является идеальным изолятором. По мере нагрева в кристалле возникают колебательные движения узловых атомов решетки. В корпускулярной интерпретации носителями энергии механических колебаний решетки являются квантовые частицы фононы  аналоги световых фотонов.

С повышением температуры кристалла количество и энергия фононов возрастают и они разрывают ковалентные связи между атомами решетки. При этом одновременно образуются свободные электроны и незаполненные связи – дырки вблизи того атома, от которого оторван электрон (рис. 1.3). Процесс образования электронно – дырочных пар под действием фононов носит название термогенерации.

Незаполненная связь заполняется одним из валентных электронов смежного атома. На месте этого электрона образуется новая дырка, и этот процесс повторяется. Следовательно, дырка ведет себя подобно частице, с положительным элементарным зарядом.

Э то очень удобное представление позволяет рассматривать электрический ток в полупроводниках состоящим из двух компонент – электронного и дырочного, при этом используются одинаковые, давно известные выражения.

Нарушения ковалентных связей и генерация пар электрон-дырка могут происходить как под действием фононов, так и других квантов энергии, например, под действием света, рентгеновских лучей и -лучей.

Проводимость собственного полупроводника называют собственной проводимостью.

1.2.2Примесные полупроводники

Чтобы превратить собственный полупроводник в примесный, необходимо ввести в его кристаллическую решетку некоторое количество специально подоб­ранной химической добавки (примеси), т. е. осуществить легирование полупроводника. Про­водимость, обусловленную наличием примесных атомов, называют примесной проводиомстью. Примеси, характерные для кремния, являются примесями за­мещения.

Если ввести в кремний атомы пятивалентного элемента (например, фосфора, сурьмы или мышьяка), то четыре из пяти валентных электронов вступят в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния (рис. 1.4, а) и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов. Девятый электрон в этой комбинации оказывается слабо связанным с ядром пятивалентного элемента; он легко отрывается фононами и делается свободным. При этом примесный атом превращается в неподвижный ион с единичным положительным зарядом.

Свободные электроны примесного происхождения добавляются к собственным свободным электронам. Поэтому проводимость полупроводника становится преимущественно электронной. Такие полупроводники называются электронными или n-типа. Примеси, обуславливающие электронную проводимость, называют донорными.

Если ввести в кремний атом трех­валентного элемента (на­пример, бора, галлия или алюминия), то все три валентных элек­­трона вступят в связь с четырьмя электронами соседних атомов (рис. 1.4, б). Для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки нужен допол­ни­тельный электрон. Тако­вым оказывается один из валентных электронов, который отбирается от ближайшего атома кремния. В результате образуется незаполненная связь – дырка, а атом примеси превращается в неподвижный ион с единичным отрицательным зарядом. Дырки примесного происхождения добавляются к собственным дыркам, так что проводимость полупроводника становится преимущественно дырочной. Такие полупроводники называются дырочными или p-типа. Примеси, обуславливающие дырочную проводимость, называются акцепторными.

П оскольку в при­месных полупроводниках концентрации электронов и дырок резко различны, принято называть носителей преобладающего типа основными, а носителей другого типа – неосновными. В полупроводнике n-типа основные носители – электроны, а в полупроводнике p-типа – дырки.