Электрический ток в полупроводниках собственная проводимость. Электрический ток в полупроводниках. Полупроводниковый диод. Полупроводниковые приборы

Ерюткин Евгений Сергеевич
учитель физики высшей квалификационной категории ГОУ СОШ №1360, г. Москва

Если же совершить прямое подключение, то внешнее поле нейтрализует запирающее, и ток будет совершаться основными носителями заряда.

Рис. 9. p-n переход при прямом подключении ()

При этом ток неосновных носителей ничтожно мал, его практически нет. Поэтому p-n переход обеспечивает одностороннюю проводимость электрического тока.

Рис. 10. Атомная структура кремния при увеличении температуры

Проводимость полупроводников является электронно-дырочной, и такая проводимость называется собственной проводимостью. И в отличии от проводниковых металлов при увеличении температуры как раз увеличивается количество свободных зарядов (в первом случае оно не меняется), поэтому проводимость полупроводников растет с ростом температуры, а сопротивление уменьшается

Очень важным вопросом в изучении полупроводников является наличие примесей в них. И в случае наличия примесей следует говорить уже о примесной проводимости.

Малые размеры и очень большое качество пропускаемых сигналов сделали полупроводниковые приборы очень распространенными в современной электронной технике. В состав таких приборов может входить не только вышеупомянутый кремний с примесями, но и, например германий.

Одним из таких приборов является диод – прибор, способный пропускать ток в одном направлении и препятствовать его прохождению в другом. Он получается вживлением в полупроводниковый кристалл p- или n-типа полупроводника другого типа.

Рис. 11. Обозначение диода на схеме и схема его устройства соответственно

Другим прибором, теперь уже с двумя p-n переходами называется транзистор. Он служит не только для выбора направления пропускания тока, но и для его преобразования.

Рис. 12. Схема строения транзистора и его обозначение на электрической схеме соответственно ()

Следует отметить, что в современных микросхемах используются множество комбинаций диодов, транзисторов и других электрических приборов.

На следующем уроке мы рассмотрим распространение электрического тока в вакууме.

1. Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) М.: Мнемозина. 2012 г.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. М.: Илекса. 2005 г.
3. Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика М.:2010 г.

1. Принципы действия устройств ().
2. Энциклопедия Физики и Техники ().

1. В следствии чего в полупроводнике появляются электроны проводимости?
2. Что такое собственная проводимость полупроводника?
3. Как зависит проводимость полупроводника от температуры?
4. Чем отличается донорная примесь от акцепторной?
5. *Какую проводимость имеет кремний с примесью а) галлия, б) индия, в) фосфора, г) сурьмы?

Полупроводники занимают промежуточное место по электропроводности между проводниками и непроводниками электрического тока. К группе полупроводников относится гораздо больше веществ, чем к группам проводников и непроводников, взятых вместе. Наиболее характерными представителями полупроводников, нашедших практическое применение в технике, являются германий, кремний, селен, теллур, мышьяк, закись меди и огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами.

У полупроводников концентрация носителей свободного заряда увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов.

Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Валентные электроны в кристалле германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок».

При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.

Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного I n и дырочного I p токов: I = I n + I p .

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: n n = n p . Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

При наличии примесей электропроводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка примесей фосфора в кристалл кремния в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков.

Полупроводник, в который введена примесь (т.е. часть атомов одного сорта заменена на атомы другого сорта), называют примесным или легированным.

Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости.

Так при легировании четырех валентного германия (Ge) или кремния (Si) пятивалентным – фосфор (P), сурьма (Sb), мышьяк (As) в месте нахождения атома примеси появляется лишний свободный электрон. При этом примесь называют донорной .

При легировании четырех валентного германия (Ge) или кремния (Si) трехвалентным - алюминием (Al), индием (Jn), бором (В), галлием (Ga) – возникает линяя дырка. Такие примеси называют акцепторными .

В одном и том же образце полупроводникового материала один участок может обладать р - проводимостью, а другой n – проводимостью. Такой прибор называют полупроводниковым диодом.

Приставка «ди» в слове «диод» означает «два», она указывает, что в приборе имеются две основные «детали», два тесно примыкающих один к другому полупроводниковых кристалла: один с р-проводимостью (это зона р), другой - с n - проводимостью (это зона п). Фактически же полупроводниковый диод - это один кристалл, в одну часть которого введена донорная примесь (зона п), в другую-акцепторная(зона р).

Если от батареи подвести к диоду постоянное напряжение «плюсом» к зоне р и «минусом» к зоне п , то свободные заряды - электроны и дырки - хлынут к границе, устремятся к рn -переходу. Здесь они будут нейтрализовать друг друга, к границе будут подходить новые заряды, и в цепи диода установится постоянный ток. Это так называемое прямое включение диода - заряды интенсивно движутся через него, в цепи протекает сравнительно большой прямой ток.

Теперь сменим полярность напряжения на диоде, осуществим, как принято говорить, его обратное включение - «плюс» батареи подключим к зоне п, «минус» - к зоне р. Свободные заряды оттянутся от границы, электроны отойдут к «плюсу», дырки - к «минусу» и в итоге pn - переход превратится в зону без свободных зарядов, в чистый изолятор. А значит, произойдет разрыв цепи, ток в ней прекратится.

Hе большой обратный ток через диод все же будет идти. Потому что, кроме основных свободных зарядов (носителей заряда) - электронов, в зоне п ,и дырок в зоне р - в каждой из зон есть еще и ничтожное количество зарядов обратного знака. Это собственные неосновные носители заряда, они существуют в любом полупроводнике, появляются в нем из-за тепловых движений атомов, именно они и создают обратный ток через диод. Зарядов этих сравнительно мало, и обратный ток во много раз меньше прямого. Величина обратного тока сильно зависит: от температуры окружающей среды, материала полупроводника и площади p-n перехода. С увеличением площади перехода возрастает его обьем, а следовательно возрастает число неосновных носителей появляющихся в результате термогенерации и тепловой ток. Часто ВАХ, для наглядности представляют в виде графиков.

В полупроводниках - это направленное движение дырок и электронов, на которое оказывает влияние электрическое поле.

В результате экспериментов было отмечено, что электрическому току в полупроводниках не сопутствует перенос вещества - в них не происходят какие-либо химические изменения. Таким образом, носителями тока в полупроводниках можно считать электроны.

Способность материала к формированию в нём электрического тока может быть определена По данному показателю проводники занимают промежуточную позицию между проводниками и диэлектриками. Полупроводники - это различные виды минералов, некоторые металлы, сульфиды металлов и т.д. Электрический ток в полупроводниках возникает из-за концентрации свободных электронов, которые могут направленно передвигаться в веществе. Сравнивая металлы и проводники, можно отметить, что существует различие между температурным влиянием на их проводимость. Повышение температуры ведёт к уменьшению У полупроводников показатель проводимости увеличивается. Если в полупроводнике увеличится температура, то движение свободных электронов будет более хаотичным. Это связано с повышением числа столкновений. Однако в полупроводниках, по сравнению с металлами, существенно повышается показатель концентрации свободных электронов. Данные факторы оказывают противоположное влияние на проводимость: чем больше столкновений, тем меньше проводимость, чем больше концентрация, тем она выше. В металлах нет зависимости между температурой и концентрацией свободных электронов, так что с изменением проводимости при повышении температуры только понижается возможность упорядоченного перемещения свободных электронов. Что касается полупроводников, то показатель влияния повышения концентрации более высокий. Таким образом, чем больше будет расти температура, тем большей будет проводимость.

Существует взаимосвязь между движением носителей заряда и таким понятием, как электрический ток в полупроводниках. В полупроводниках появление носителей зарядов характеризуется различными факторами, среди которых особо важными являются температура и чистота материала. По чистоте полупроводники делятся на примесные и собственные.

Что касается собственного проводника, то влияние примесей при определённой температуре не может считаться для них существенным. Поскольку в полупроводниках ширина запрещённой зоны невелика, в собственном полупроводнике, когда температура достигает происходит полное заполнение валентной зоны электронами. Но зона проводимости является полностью свободной: в ней нет электропроводимости, и она функционирует как идеальный диэлектрик. При других температурах существует вероятность того, что при тепловых флуктуациях определённые электроны могут преодолеть потенциальный барьер и оказаться в зоне проводимости.

Эффект Томсона

Принцип термоэлектрического эффекта Томсона: когда пропускают электрический ток в полупроводниках, вдоль которых существует температурный градиент, в них, кроме джоулева тепла, будет происходить выделение или поглощение дополнительных количеств тепла в зависимости от того, в каком направлении будет течь ток.

Недостаточно равномерное нагревание образца, имеющего однородную структуру, оказывает влияние на его свойства, в результате чего вещество становится неоднородным. Таким образом, явление Томсона является специфическим явлением Пельте. Единственная разница заключается в том, что различный не химический состав образца, а неординарность температуры вызывает эту неоднородность.

К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется в зависимости удельного сопротивления от температуры (рис.9.3)

Зонная модель электронно-дырочной проводимости полупроводников

При образовании твердых тел возможна ситуация, когда энергетическая зона, возникшая из энергетических уровней валентных электронов исходных атомов, оказывается полностью заполненной электронами, а ближайшие, доступные для заполнения электронами энергетические уровни отделены от валентной зоны Е V промежутком неразрешенных энергетических состояний – так называемой запрещенной зоной Е g .Выше запрещенной зоны расположена зона разрешенных для электронов энергетических состояний – зона проводимости Е c .

Зона проводимости при 0 К полностью свободна, а валентная зона полностью занята. Подобные зонные структуры характерны для кремния, германия, арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP) и многих других твердых тел, являющихся полупроводниками.

При повышении температуры полупроводников и диэлектриков электроны способны получать дополнительную энергию, связанную с тепловым движением kT . У части электронов энергии теплового движения оказывается достаточно для перехода из валентной зоны в зону проводимости, где электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться практически свободно.

В этом случае, в цепи с полупроводниковым материалом по мере повышения температуры полупроводника будет нарастать электрический ток. Этот ток связан не только с движением электронов в зоне проводимости, но и с появлением вакантных мест от ушедших в зону проводимости электронов в валентной зоне, так называемых дырок . Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместиться на новое место в кристалле.

Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного I n и дырочного I p токов: I = I n + I p .

Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т.е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников. Электроны забрасываются в зону проводимости с уровня Ферми , который оказывается в собственном полупроводнике расположенным посередине запрещенной зоны (рис. 9.4).

Существенно изменить проводимость полупроводников можно, введя в них очень небольшие количества примесей. В металлах примесь всегда уменьшает проводимость. Так, добавление в чистый кремний 3 % атомов фосфора увеличивает электропроводность кристалла в 10 5 раз.

Небольшое добавление примеси к полупроводнику называется легированием.

Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла. Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью .

Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости. Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As) (рис. 9.5).

Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним. Он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки.

Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорской примесью . В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз.

Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника. Такая проводимость, обусловленная свободными электронами, называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа .

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы, например, атомы индия (рис. 9.5)

На рисунке 6 показан атом индия, который создал с помощью своих валентных электронов ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия.

Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью . В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.

Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: n p >> n n . Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью . Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа . Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p -типа являются дырки.

Электронно-дырочный переход. Диоды и транзисторы

В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.

В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или n –p -переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

На границе полупроводников (рис. 9.7) образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу.

Способность n –p -перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами . Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

На рисунке 9.8 приведена типичная вольт - амперная характеристика кремниевого диода.

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя n–p-переходами называются транзисторами . Транзисторы бывают двух типов: p –n –p -транзисторы и n –p –n -транзисторы. В транзисторе n –p –n -типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p -типа, а созданные на ней две области – проводимостью n -типа (рис.9.9).

В транзисторе p–n–p – типа всё наоборот. Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э).

ТОКИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Дрейфовый ток

В полупроводниках свободные электроны и дырки на­ходятся в состоянии хаотического движения. Поэтому, если выбрать произвольное сечение внутри объема полупровод­ника и подсчитать число носителей заряда, проходящих через это сечение за единицу времени слева направо и справа налево, значения этих чисел окажутся одинаковы­ми. Это означает, что электрический ток в данном объеме полупроводника отсутствует.

При помещении полупроводника в электрическое поле напряженностью Е на хаотическое движение носителей зарядов накладывается составляющая направленного дви­жения. Направленное движение носителей зарядов в элек­трическом поле обусловливает появление тока, называе­мого дрейфовым (Рисунок 1.6, а) Из-за столкновения носителей зарядов с атомами кристал- лической решетки их движение в направ­лении действия электрического поля

прерывисто и харак­теризуется подвижностью m. Подвижность равна сред­ней скорости , приобретаемой носителями заряда в направлении действия электрического поля напряженностью Е = 1 В/м, т. е.

Подвижность носителей зарядов зависит от механизма их рассеивания в кристаллической решетке. Исследова­ния показывают, что подвижности электронов m n и дырок m p имеют различное значение (m n > m p) и определяются температурой и концентрацией примесей. Увеличение тем­пературы приводит к уменьшению подвижности, что зави­сит от числа столкновений носителей зарядов в единицу времени.

Плотность тока в полупроводнике, обусловленного дрей­фом свободных электронов под действием внешнего элек­трического поля со средней скоростью , определяется выражением .

Перемещение (дрейф) дырок в валентной зоне со сред­ней скоростью создает в полупроводнике дырочный ток, плотность которого . Следовательно, полная плот­ность тока в полупроводнике содержит электронную j n и дырочную j р составляющие и равна их сумме (n и p - концентрации соответственно электронов и дырок).

Подставляя в выражение для плотности тока соотноше­ние для средней скорости электронов и дырок (1.11), по­лучаем

(1.12)

Если сравнить выражение (1.12) с законом Ома j =sЕ, то удельная электропроводность полупроводника опреде­ляется соотношением

У полупроводника с собственной электропроводностью кон­центрация электронов равна концентрации дырок (n i = p i), и его удельная электропроводность определяется выра­жением

В полупроводнике n-типа > , и его удельная электропроводность с достаточной степенью точности мо­жет быть определена выражением

.

В полупроводнике р-типа > , и удельная элек­тропроводность такого полупроводника

В области высоких температур концентрация электро­нов и дырок значительно возрастает за счет разрыва ковалентных связей и, несмотря на уменьшение их подвижно­сти, электропроводность полупроводника увеличивается по экспоненциальному закону.

Диффузионный ток

Кроме теплового возбуждения, приводящего к возник­новению равновесной концентрации зарядов, равномерно распределенных по объему полупроводника, обогащение полупроводника электронами до концентрации n p и дыр­ками до концентрации p n может осуществляться его осве­щением, облучением потоком заряжённых частиц, введе­нием их через контакт (инжекцией) и т. д. В этом случае энергия возбудителя передается непосредственно носите­лям заряда и тепловая энергия кристаллической решетки остается практически постоянной. Следовательно, избы­точные носители заряда не находятся в тепловом равнове­сии с решеткой и поэтому называются неравновесными. В отличие от равновесных они могут неравномерно распре­деляться по объему полупроводника (рисунок 1.6, б)

После прекращения действия возбудителя за счет реком­бинации электронов и дырок концентрация избыточных но­сителей быстро убывает и достигает равновесного значения.

Скорость рекомбинации неравновесных носителей про­порциональна избыточной концентрации дырок (p n - ) или электронов (n p - ):

где t p - время жизни дырок; t n - время жизни электронов. За время жизни концентрация неравновесных носите­лей уменьшается в 2,7 раза. Время жизни избыточных носителей составляет 0,01...0,001 с.

Носители зарядов рекомбинируют в объеме полупро­водника и на его поверхности. Неравномерное распределение неравновесных носите­лей зарядов сопровождается их диффузией в сторону мень­шей концентрации. Это движение носителей зарядов обу­словливает прохождение электрического тока, называемо­го диффузионным (рисунок 1.6, б).

Рассмотрим одномерный случай. Пусть в полупровод­нике концентрации электронов n(x) и дырок p(x) являют­ся функциями координаты. Это приведет к диффузионно­му движению дырок и электронов из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией.

Диффузионное движение носителей зарядов обуслов­ливает прохождение диффузионного тока электронов и дырок, плотности которых определяют­ся из соотношений:

; (1.13) ; (1.14)

где dn(x)/dx, dp(x)/dx - градиенты концентраций электронов и дырок; D n , D p - коэффициенты диффузии электро­нов и дырок.

Градиент концентрации характери­зует степень неравномерности распределения зарядов (электронов и дырок) в полупроводнике вдоль какого-то выбранного направления (в данном случае вдоль оси x). Коэффициенты диффузии показывают количество носителей заряда, пересекающих в единицу времени еди­ничную площадку, перпендикулярную к выбранному направ­лению, при градиенте концентрации в этом направлении, рав­ном единице. Коэффициенты

диффузии связаны с подвижностями носителей зарядов соотношениями Эйнштейна:

; .

Знак "минус" в выражении (1.14) означает противопо­ложную направленность электрических токов в полупро­воднике при диффузионном движении электронов и дырок в сторону уменьшения их концентраций.

Если в полупроводнике существует и электрическое поле, и градиент концентрации носителей, проходящий ток будет иметь дрейфовую и диффузионную составляющие. В таком случае плотности токов рассчитываются по следую­щим уравнениям:

; .

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ