Що таке власна електропровідність напівпровідника?

Власні й домішкові напівпровідники. Власними напівпровідниками або напівпровідниками типу i (від англійського intrinsic - власний) називаються чисті напівпровідники, що не містять домішок. Домішковими напівпровідників називаються напівпровідники, що містять домішки, валентність яких відрізняється від валентності основних атомів. Вони підрозділяються на електронні й діркові.

Власний напівпровідник. Власні напівпровідники мають кристалічну структуру, що характеризується періодичним розташуванням атомів у вузлах просторової кристалічної решітки. У такій решітці кожен атом взаємно пов'язаний із чотирма сусідніми атомами ковалентними зв'язками (мал. 1.1), в результаті яких відбувається усуспільнення валентних електронів й утворення стійких електронних оболонок, що складаються з восьми електронів. При температурі абсолютного нуля (T = 0 ° K) всі валентні електрони перебувають у ковалентних зв'язках, отже, вільні носії заряду відсутні, і напівпровідник подібний до діелектрика. При підвищенні температури або при опроміненні напівпровідника променистою енергією валентний електрон може вийти з ковалентного зв'язку й стати вільним носієм електричного заряду. (Мал. 1.2). При цьому ковалентний зв'язок стає дефектною, в ній утворюється вільне (вакантне) місце, яке може зайняти один з валентних електронів сусіднього зв'язку, у результаті чого вакантне місце переміститься до іншої пари атомів. Переміщення вакантного місця усередині кристалічної решітки можна розглядати як переміщення деякого фіктивного (віртуального) позитивного заряду, величина якого дорівнює заряду електрона. Такий позитивний заряд прийнято називати діркою.

Процес виникнення вільних електронів і дірок, обумовлений розривом ковалентних зв'язків, називається тепловою генерацією носіїв заряду. Його характеризують швидкістю генерації G, що визначає кількість пар носіїв заряду, що виникають в одиницю часу в одиниці об'єму. Швидкість генерації тим більше, чим вище температура і чим менше енергія, що витрачається на розрив ковалентних зв'язків. Що виникли в результаті генерації електрони і дірки, перебуваючи в стані хаотичного теплового руху, через деякий час, середнє значення якого називається часом життя носіїв заряду, зустрічаються один з одним, в результаті чого відбувається відновлення ковалентних зв'язків. Цей процес називається рекомбінацією носіїв заряду й характеризується швидкістю рекомбінації R, яка визначає кількість пар носіїв заряду, зникаючих в одиницю часу в одиниці об'єму. Твір швидкості генерації на час життя носіїв заряду визначає їхню концентрацію, тобто кількість електронів і дірок в одиниці об'єму. При незмінній температурі генераційно-рекомбінаційні процеси перебувають у динамічній рівновазі, тобто в одиницю часу народжується й зникає однакова кількість носіїв заряду (R = G). Це умова називається законом рівноваги мас.

Стан напівпровідника, коли R = G, називається рівноважним; в цьому стані у власному напівпровіднику встановлюються рівноважні концентрації електронів і дірок, що позначаються ni і pi. Оскільки електрони і дірки генеруються парами, то виконується умова: ni = pi. При цьому напівпровідник залишається електрично нейтральним, тому сумарний негативний заряд електронів компенсується сумарним позитивним зарядом дірок. Це умова називається законом нейтральності заряду. При кімнатній температурі в кремнії ni = pi = 1,4 · 1010 см-3, а в германії ni = pi = 2,5 · 1013 см-3. Різниця в концентраціях пояснюється тим, що для розриву ковалентних зв'язків в кремнію потрібні великі витрати енергії, ніж в германії. Зі зростанням температури концентрації електронів і дірок зростає по експоненціальному закону.

 

Як отримати напівпровідник з електронною провідністю

Напівпровідники – це речовини, які проводять струм гірше, ніж провідники, але краще за ізолятори. Здається, все логічно. Проте насправді, напівпровідникові радіоелементи, такі як діоди, транзистори, тиристори і т.д., проводять струм не набагато гірше за провідники. З чим це пов’язано? Річ у тім, що до напівпровідників у малих кількостях добавляють домішки. Є два типи провідності напівпровідників.

Додавши до германію строго визначену кількість миш’яку або сурми, його провідність значно покращиться. Германій має валентність IV (валентність залежить від кількості електронів на зовнішній орбіті атома), а миш’як і сурма мають валентність V. Тому, якщо на чотири атома германію додати один атом миш’яку, то отримаємо «зайвий» електрон. Цей електрон слабо зв’язаний з атомами і буде легко переміщатися під впливом напруги чи температури (його можна відірвати від миш’яку при енергії 0,015 еВ.Миш’як стане в ролі донора. Оскільки основним носієм заряду є електрон, то і провідність назвали електронною або n-провідністю (від французької мови negative – негативний).

Щоб отримати p-провідність (від франц. positive – позитивний), треба основним носієм заряду зробити дірки. В такому випадку до германію додають індій. Так як атоми індію мають три валентних електрона, то один із чотирьох зв’язків виявляється неповним. Атом індію забирає в германія електрон, в якого утворюється дірка. Індій виступає в ролі акцептора.

Найпоширеніший напівпровідник, який використовують в радіодеталях – це кремній, далі йде германій. Галій та індій рідше згадують.

Взагалі напівпровідники можуть використовувати в інших радіодеталях, які не мають p-n-переходу. Наведу деякі приклади радіодеталей і які речовини в них використовуються:

терморезистори – мідно-марганцеві і кобальто-марганцеві сплави;

позистори – титанат барію;

фоторезистори – сульфід кадмію, селенід кадмію, сірчистий свинець, полікристалічні шари сірчистого і селенистого кадмію;

варистори – карбід кремнію.

Як отримати напівпровідник з дірковою провідністю?

Мізерні кількості домішок різко змінюють електричні властивості напівпровідників. При цьому під домішкою звичайно розуміють як атоми чи йони інших елементів, так і різного роду дефекти і спотворення в кристалічній решітці: вузли, тріщини тощо. Далі розглянемо в основному спотворення решітки, зумовлені наявністю реальних домішок — атомів інших елементів.

Якщо в кристалічній решітці германію його атоми замінюються атомами з меншою валентністю, наприклад тривалентними атомами Індію. У такого домішкового атома не вистачає одного електрона для утворення нормального ковалентного зв'язку, характерного для решітки германію. Однак домішковий атом Індію може створити всі зв'язки, якщо він позичить електрон у ближнього атома Германію. Тоді на місці електрона, який залишив атом Германію, утворюється дірка. Енергія, необхідна для переходу електрона від сусіднього атома Германію до атома Індію, невелика, тому за кімнатної температури всі домішкові атоми Індію захоплюють від сусідніх атомів Германію електрони, яких не вистачає для нормального зв'язку, а в решітці германію з'являється така сама кількість дірок.

Домішки, які захоплюють електрони від сусідніх атомів і викликають появу дірок, називають акцепторними.

Процес послідовного заповнення дірок електронами еквівалентний, як ми вже переконалися, переміщенню дірки у напівпровіднику і виникненню в ньому носіїв струму.

Оскільки перехід електрона із сусіднього атома відбувається практично без втрат енергії, то дірка, що утворилася, вільно переміщається у кристалі в результаті перестрибувань електронів від сусідніх атомів на дірку. Якщо зовнішнє електричне поле відсутнє,— дірки рухаються хаотично. Коли ж на напівпровідник накласти електричне поле, стрибкоподібний рух електронів від атома до атома стає напрямленим, отже, набуває спрямування і рух дірок у протилежний бік.Описаний тип провідності називається провідністю р-типу (від positiv — позитивний), а напівпровідники з такою провідністю — дірковими, або напівпровідниками р-типу.