Электропроводность полупроводников

Полупроводниками называются материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. У металлов удельное сопротивление ρ= - Ом·м, у диэлектриков ρ= - Ом·м, у полупроводников ρ= - Ом·м. Наибольшее распространение получили полупроводниковые материалы кремний Si и германий Ge. Особенностью проводников является наличие свободных электронов – носителей электрических зарядов. В диэлектриках свободных электронов нет. В отличие от проводников полупроводники имеют не только электронную, но и дырочную электропроводности, которые зависят от температуры окружающей среды, наличия освещённости, электрического поля, примесей и других факторов. Кристаллическая решетка полупроводника имеет парноэлектронную связь атомов. На рис 7.1 приведены схематические изображения парноэлектронной связи атомов.

Рис 7.1. Схематические изображения парноэлектронной связи атомов

Кристаллическая решётка четырёхвалентного германия изображена на рис.7.2.

Рис 7.2. Кристаллическая решётка четырёхвалентного германия

Каждый атом германия образует парноэлектронную связь с четырмя соседними атомами. При отсутствиии примесей и температуре окружающей среды, близкой к абсолютному нулю, свободных электронов нет и германий не обладает электропроводностью. При повышении температуры окружающей среды появляются свободные электроны, которые под действием внешнего электрического поля перемещаются, и возникает электрический ток. Электропроводность, обусловленная перемещением свободных электронов, называется электронной электропроводностью полупроводника или n – электропроводностью. Дырки перемещаются противоположно движению электронов.

На рис.7.3 изображена схема образования свободного электрона, а так же перемещения электронов и заполнения дырок в кристалле германия.

Рис 7.3. Схема образования свободного электрона, а так же перемещения электронов и заполнения дырок в кристалле германия

Электропроводность, возникающая в результате перемещения дырок, называется дырочной электропроводностью или p – электропроводностью. Рассмотренные n и p – электропроводности, носят названия собственных электропроводностей.

Вводя в кристалл полупроводника примеси других элементов, можно получить примесные электропроводности либо n, либо p – электропроводности. Пятивалентные элементы: мышьяк, сурьма, фосфор образуют свободные электроны. Трёхвалентные элементы: индий, галлий, алюминий способствуют появлению свободных дырок. На рисунках 7.4 и 7.5 изображены схемы связи различных примесей с германием.

Рис.7.4. Схема замещения в кристаллической решётке атома германия пятивалентным атомом фосфора

Замещение в кристаллической решётке атома германия Ge пятивалентным атомом фосфора P, способствует образованию свободного электрона, что соответствует электронной n – электропроводности. Такая электропроводность называется донорской. Атом фосфора, потеряв электрон, становится неподвижным положительным ионом.

Рис.7.5. Схема замещения в кристаллической решетке атома германия атомом трёхвалентного индия

Замещение в кристаллической решетке атома германия Ge атомом трехвалентного индия In, образует ковалентную связь с тремя атомами германия. Такая связь образует дырочную p – электропроводность и называется акцепторной. Атом индия превращается в неподвижный отрицательный ион.