Напівпровідники. Власна і домішкова електропровідність напівпровідників

Напівпровідниками називають речовини, значення електропровідності яких лежить в межах між електропровідністю речовин, що добре проводять електричний струм (провідників) і електропровідністю речовин, що практично не проводять електричного струму (діелектриків).

Найбільш поширеними напівпровідниками, що використовуються на практиці є германій (Ge), кремній (Si), а також сполуки, наприклад арсенід галію (GaAs), антимонід індію (InSb) і т.п. – це елементи ІІІ, ІV, V груп таблиці Д.І. Менделеєва.

Для напівпровідників є характерною значна залежність їх електричних властивостей від температури. На відміну від металів, електропровідність напівпровідників при зниженні температури зменшується, а при підвищенні зростає. При температурах близьких до абсолютного нуля напівпровідники поводять себе подібно до діелектриків. Іншими характерними особливостями напівровідників є значна залежність їх електропровідності від незначної кількості домішок і їх чутливість до різного роду випромінювання.

Більшість фундаментальних властивостей твердих тіл і, перш за все, сам факт існування провідників, напівпровідників, діелектриків пояснюється зонною теорією твердих тіл на підставі квантових уявлень. У даній роботі ми обмежимося нескладним якісним поясненням властивостей напівпровідників на основі полукласичних уявлень.

Типовими напівпровідниками є елементи ІV групи периодичної системи Менделєєва германій і кремній. Ці елементи утворюють кристалічну решітку подібну до алмазу, де кожен атом зв'язаний ковалентними (парно-електронними) зв'язками з чотирма рівновіддаленими від нього сусідніми атомами.

Умовно таке взаємне розташування атомів можна уявити у вигляді плоскої структури, яка зображена на рис. 8.7.

Зовнішні оболонки атомів кремнію і германію мають чотири валентних електрони. При об'єднанні таких атомів у кристалічну решітку кожний атом як би доповнює свою зовнішню оболонку до восьми електронів, утворюючи із чотирма оточуючими його атомами так звані парно-електронні або ковалентні зв'язки (подвійні лінії на малюнку). Картина, що показана на малюнку, відповідає чистому (без домішок) напівпровідникові. Кола зі знаком (+) означають позитивно заряджені атомні залишки (тобто ту частину атома, яка залишається після видалення валентних електронів), кола зі знаком (−) – валентні електрони (електрони зв'язку).

Рис.8.7. Схема кристалічної решітки напівпровідника і пояснення власної електропровідності

При дуже низькій температурі всі валентні електрони беруть участь в утворенні зв'язків між атомами й не можуть брати участь у процесі електропровідності – напівпровідник поводиться подібно до діелектрика. При підвищенні температури теплові коливання решітки призводять до розриву окремих валентних зв'язків. Електрон, що звільнився при розриві зв'язку, стає електроном провідності і може вільно переміщатися по всьому об'єму напівпровідника, беручи участь у процесі електропровідності.

Крім процесу переносу заряду за допомогою електронів провідності в напівпровідниках реалізується також інший механізм електропровідності. Він обумовлений тим, що при розриві валентного зв'язку утворюється вакантне місце, в околиці якого виникає надлишковий позитивний заряд, рівний за модулем величині заряду електрона. Такий позитивний заряд прийнято називати діркою (пунктирний кружок на рис. 8.7). Наявність дірки, як показано на рис. 8.7, створює додаткову можливість для переносу заряду: на місце відсутнього електрона може перескочити будь-який електрон із сусіднього зв'язку (практично без витрати енергії), при цьому дефектний зв'язок буде відновлений, а дірка виникне вже на новому місці і т.д. Таким чином, відбувається перехід сусідніх електронів зв'язку на величину міжатомної відстані, а дірка, в остаточному рахунку, може мандрувати по всьому кристалу. Досить зручно всі електричні процеси, що пов'язані з переміщеннями електронів зв'язку, розглядати як переміщення в напівпровідниках не цих електронів, а дірок – уявних частинок, що мають елементарний позитивний заряд.

Поряд із переходами електронів зі зв'язаних станів у вільні (генерації електронів і дірок) реалізуються й зворотні переходи, при яких електрони провідності відновлюють порушені зв'язки. Пари електрон – дірка при цьому зникають. Такий процес називається рекомбінацією. При зниженні температури рухлива рівновага процесів генерації й рекомбінації змішується вбік зменшення числа генерацій. При цьому зменшується концентрація вільних електронів і дірок, що веде до збільшення опору напівпровідника.

Під час відсутності зовнішнього електричного поля електрони й дірки рухаються хаотично. З появою поля на хаотичний рух накладається впорядкований рух: електронів проти поля й дірок у напрямку поля. Таким чином, виникає електричний струм, вільними зарядами якого є електрони провідності й дірки, концентрації яких у чистих напівпровідниках, позбавлених хімічних домішок і інших дефектів решітки, однакові. Розглянутий процес електропровідності напівпровідників одержав назву власної електропровідності.

Є ще один спосіб утворення носіїв струму в напівпровідниках. Можна ввести в чистий напівпровідник контрольовані домішки. Припустимо, що в чистий германій внесена невелика кількість атомів домішки. В якості домішки розглянемо який-небудь елемент п'ятої групи таблиці Менделєєва, наприклад, фосфор (Р). Для здійснення ковалентних зв'язків у решітці германія необхідні всього чотири валентні електрони, тому п'ятий валентний електрон атома фосфору виявляється як би зайвим і легко відділяється від атома за рахунок дуже невеликої додаткової енергії. При цьому виникає електрон провідності, що не залишає дірки, яку міг би зайняти сусідній електрон, а атом фосфору перетворюється в позитивно заряджений, зв'язаний іон. Описаний процес, схематично показано на рис. 8.8,а.

Внесення 5-валентних домішок призводить до того, що в напівпровіднику окрім електронів і дірок власної провідності з'являється додаткове число вільних електронів, концентрація яких визначається концентрацією домішки.

а) б)

Рис. 8.8. Утворення домішкової електропровідності

Додавання одного атома фосфору на мільйон атомів германія призводить до переваги концентрації електронів над концентрацією дірок у тисячу разів. Домішки, атоми яких віддають електрони, одержали назву донорних домішок (від лат. donare – дарити), а напівпровідники, у яких переважають негативні носії заряду – називають напівпровідниками n -типу.

Тепер розглянемо випадок, коли валентність домішки на одиницю менше валентності основних атомів. На рис. 8.8,б умовно показана решітка кремнію, з 3-валентною домішкою атомів бору. Трьома своїми валентними електронами атом бору вступає в ковалентні зв'язки із сусідніми атомами кремнію. Але трьох валентних електронів атома бору недостатньо для утворення зв’язків з усіма чотирма сусідами. Відсутній четвертий електрон буде захоплений з одного із сусідніх зв’язків. У відповідному зв'язку утворюється дірка, атом бору перетвориться в негативний зв'язаний іон, а дірка набуває можливість перемішуватися по кристалу. У такому напівпровіднику, крім електронів і дірок власної провідності, з'являється додаткове число дірок, концентрація яких визначається концентрацією домішки й може на кілька порядків перевищувати концентрацію власних вільних зарядів. Домішки, що призводять до появи дірок, одержали назву акцепторних (від лат. acceptare – приймати), а напівпровідники, у яких переважає діркова електропровідність – називають напівпровідниками p -типу.

Слід звернути увагу на наступне. Електропровідність напівпровідників, яка пов'язана з наявністю в них домішок, називається домішковою. Носії заряду, які представлені в більшості (електрони в напівпровіднику n -типу й дірки в напівпровіднику p -типу), одержали назву основних носіїв заряду. Але в напівпровідниках n -типу також є й невелика кількість дірок, а в напівпровідниках p -типу невелика кількість вільних електронів. Представлені в меншостях відповідні носії заряду називають неосновними (дірки в напівпровіднику n -типу та електрони в напівпровіднику p -типу).