Носители электрического заряда

Важнейшим параметром любого вещества является удельное электрическое сопротивление. Очевидно, что электропроводность, т.е. способность проводить электрический ток, имеет место только в том случае, когда присутствуют свободные носители заряда, которые могут перемещаться под действием электрического поля или градиента концентрации. Рассмотрим процесс образования свободных носителей заряда в полупроводнике.

Беспримесный и бездефектный полупроводник с идеальной кристаллической решеткой называется собственным полупроводником. Обычно он обозначается как полупроводник i -типа. При температуре абсолютного нуля в таком полупроводнике нет свободных носителей заряда и он является идеальным изолятором. По мере нагрева возникают колебательные движения атомов решетки. В корпускулярной интерпретации носителями энергии механических колебаний решетки являются квантовые частицы – фононы.

С повышением температуры количество и энергия фононов возрастают и они становятся способными разрывать ковалентные связи между атомами решетки. Нарушение ковалентной связи приводит к образованию свободного электрона и незаполненной связи – дырки вблизи того атома, от которого оторван электрон (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Процесс образования подвижных зарядов

Процесс образования электронно-дырочных пар называется генерацией.

Незаполненная связь может заполняться одним из валентных электронов смежного атома. На месте этого электрона образуется новая дырка, и процесс повторяется. Следовательно, дырка ведет себя подобно частице с положительным зарядом. Дырки и свободные электроны совершают хаотические движения в течение некоторого времени – времени жизни, после чего попарно взаимно уничтожаются, т. е. происходит процесс, обратный процессу генерации. Процесс, обратный процессу генерации, называется рекомбинацией.

Итак, в собственных полупроводниках имеются два типа свободных носителей заряда – электроны и дырки. Причем электроны и дырки всегда генерируют и рекомбинируют парами, а их количество
одинаково.

Проводимость собственного полупроводника, обусловленная парными носителями электрического заряда, называется собственной проводимостью.

Полупроводник, у которого часть атомов кристаллической решетки замещена атомами другого вещества, называется примесным. Проводимость, обусловленная наличием примесных атомов, называется примесной проводимостью.

Результаты замещения зависят от валентности примесных атомов. Такие широко распространенные материалы, как германий и кремний, являются четырехвалентными. Поэтому, если ввести в них атом пятивалентного элемента, например фосфора (P), сурьмы (Sb) или мышьяка (As), то четыре из пяти валентных электронов этого элемента вступят в связь с четырьмя электронами соседних атомов и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов. Девятый электрон оказывается слабо связанным с ядром пятивалентного элемента. Он легко отрывается фононами и становится 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, обусловливающие электронную проводимость, называются донорными (отдающими электроны).

Если в германий или кремний ввести атом трехвалентного элемента, например, галлия (Ga) или алюминия (Al), то все три его валентных электрона вступят в связь с четырьмя электронами соседних атомов. Для образования устойчивой восьмиэлементной оболочки нужен дополнительный электрон. Таковым оказывается один из валентных электронов, который отбирается от ближайшего атома. В результате у этого атома 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, обусловливающие дырочную проводимость, называются акцепторными (захватывающими электроны).