Электропроводность и другие характеристики полупроводников

Полупроводники по удельному сопротивлению, которое при комнатной температуре лежит в пределах 10 ^-6 - 10 ⁹ Ом·см, занимают про­межуточное положение между проводниками и диэлектриками. Полупроводники обладают рядом характерных только для них свойств, резко отличающихся от проводников:

■ в большом интервале температур их удельное сопротивление уменьшается, т.е. они имеют отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления;

■ при введении в полупроводник ничтожного количества примесей их удельное сопротивление резко изменяется;

■ полупроводники чувствительны к различного рода внешним воздействиям — свету, ядерному излучению, электрическому и магнитному полям, давлению и т. д.

Полупроводниковыми свойствами обладает целый ряд материалов — природных и синтетических, органических и неорганиче­ских, простых и сложных по химическому составу.

К простым полупроводникам относятся германий, кремний, се­лен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера, сурьма, мышьяк, серое олово, йод.

Полупроводниками являются сложные соединения различных элементов таблицы Д.И. Менделеева: двойные (бинарные) соединения; тройные соединения; твердые растворы.

Как и в метал­лах, электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом носи­телей заряда. Но если в металлах наличие свободных электронов обусловлено самой природой металлической связи, то появление носителей заряда в полупроводниках определяется рядом факто­ров, важнейшими из которых являются чистота материала и темпе­ратура. В зависимости от степени чистоты полупроводники подраз­деляют на собственные и примесные.

Полупроводник, в котором в результате разрыва связей образу­ется равное количество свободных электронов и дырок, называется собственным.

Каждый атом кремния на своей внешней оболочке содержит че­тыре электрона. Каждый из этих четырех электронов создает пару с электроном соседнего атома, образуя ковалентную связь. Ковалентная связь достаточно прочная, и для того, чтобы освободить электрон, требуется определенная энергия.

С повышением температуры из-за увеличения тепловой энергии некоторые электроны разрывают ковалентную связь и появляются в зоне проводимости. В кристалле собственного полупроводника ка­ждому электрону в зоне проводимости соответствует одна дырка, оставленная им в валентной зоне. В этом случае свободный элек­трон обладает энергией, большей той, которую он имел в связанном состоянии, на величину не менее энергии ширины запрещенной зоны.

Так как при каждом акте возбуждения в собственном полупро­воднике одновременно создаются два носителя заряда противопо­ложных знаков, то общее количество носителей заряда будет в два раза больше числа электронов в зоне проводимости, т. е. концентрации электронов и дырок n_i = p_i; n_i + p_i = 2n_i.

При приложении к кристаллу внешнего электрического поля свободные электроны будут перемещаться против поля (из-за от­рицательного заряда), а дырки — в направлении поля. Но электро­ны, хотя и движутся в противоположном направлении, создают обычный ток, совпадающий с внешним приложенным полем. Сле­довательно, электронный и дырочный токи текут в одном и том же направлении и поэтому складываются.

Электропроводность собственных полупроводников определя­ется обоими типами носителей зарядов, поэтому их иногда назы­вают полупроводниками с биполярной проводимостью. Удельная проводимость собственного полупроводника определяется выра­жением:

 

γ = qn _iu_n + qp_iu_p = qn_i(u_n+u_p), (5.1)

 

где u_n, u_p — подвижности носителей заряда (электронов и дырок).

 

Подвижности электронов и дырок не одинаковы и обычно u_n > u_p,поэтому электропроводность собственных полупроводников имеет слабо преобладающий электронный характер.

Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники.

Полупроводник, имеющий примеси, называется примесным, и проводимость, созданная введенной примесью, носит название примесной проводимости.

Примесями могут быть чужеродные атомы; собственные — из­быточные по стехиометрическому составу; дефекты кристалличе­ской решетки в виде пустых узлов, атомов или ионов в междуузлиях; дислокации — нарушения периодичности структуры и т. д.

Обычно примеси вводят в вещество специально, чтобы обеспе­чить нужный тип и величину проводимости. Введение примесей называют легированием полупроводника. Различают примеси вне­дрения, когда чужеродные атомы закрепляются в междуузлиях, и примеси замещения, когда они замещают матричные атомы в узлах решетки.

Атомы примеси способны легко отдавать электроны в свобод­ную зону, либо захватывать электроны из валентной зоны, дост­раивая тем самым свою наружную оболочку до устойчивого со­стояния.

Полупроводник с примесью, имеющей концентрацию электро­нов, большую, чем концентрация дырок, появившихся за счет пе­рехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, назы­вают полупроводником п - типа, а примеси, поставляющие элек­троны в зону проводимости, — донорами.

Полупроводник, имеющий концентрацию дырок, большую, чем концентрация электронов, перешедших из валентной зоны в зону проводимости, называют полупроводником р - типа. Примеси, за­хватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, назы­вают акцепторами.

Сравнивая собственные и примесные полупроводники следуют подчеркнуть, что в последних электропроводность проявляется при более низких температурах.

В электронном полупроводнике электронов значительно больше дырок, поэтому электроны называют основными, а дырки — неос­новными носителями заряда. В акцепторном же полупроводнике основными носителями являются дырки, а неосновными — электроны.

 

Фотопроводимость полупроводников. Фотопроводимостью называют увеличение электрической проводимости вещества под действием электромагнитного излучения, в том числе света.

При поглощении света собственным полупроводником энергия фотона Е_ф захватывается электроном валентной зоны. Электрон, поглотивший фотон, способен перейти из зоны проводимости в свободную зону. В результате образуется электронно-дырочная па­ра свободных носителей заряда, называемых фотоносителями, ко­торые при приложении внешнего поля обеспечивают появление фототока. Образование фотоносителей и появление фотопроводи­мости называется внутренним фотоэффектом.

Пороговая длина волны, при которой появляется фотопроводи­мость, называется красной границей фотоэффекта.

Фотопроводимость зависит от интенсивности облучения, т.е. от потока квантов света Ф. С ростом Ф увеличивается число носите­лей, в то же время растет вероятность их рекомбинации. Поэтому зависимость удельной проводимости γ _ф от интенсивности облуче­ния Ф нелинейна (рисунок 5.1) и определяется выражением:

 

γ _ф=ВФ^х, (5.2)

где В = const, а 1 > х > 0.

Фотопроводимость зависит также от приложенного напряжения (рисунок 5.2).

Рисунок 5.1 Зависимость удельной Рисунок 5.2 Вольт-амперная

фотопроводимости от интенсивности характеристика фотопроводимости

облучения