Электроны и дырки в кристаллической решетке полупроводника. Неравновесные электроны и дырки в полупроводниках

Так как в твёрдом теле атомы или ионы сближены на расстояние, сравнимое с размерами самого атома, то в нём происходят переходы валентных электронов от одного атома к другому. Такой электронный обмен может привести к образованию ковалентной связи. Это происходит в случае, когда электронные оболочки соседних атомов сильно перекрываются и переходы электронов между атомами происходят достаточно часто.

Эта картина полностью применима к такому типичному полупроводнику, как германий (Ge). Все атомы германия нейтральны и связаны друг с другом ковалентной связью. Однако электронный обмен между атомами не приводит непосредственно к электропроводности, поскольку в целом распределение электронной плотности жестко фиксировано: по 2 электрона на связь между каждой парой атомов - ближайших соседей. Чтобы создать проводимость в таком кристалле, необходимо разорвать хотя бы одну из связей (нагрев, поглощение фотона и т.д.), то есть, удалив с неё электрон, перенести его в какую-либо другую ячейку кристалла, где все связи заполнены и этот электрон будет лишним. Такой электрон в дальнейшем свободно может переходить из ячейки в ячейку, так как все они для него эквивалентны, и, являясь всюду лишним, он переносит с собой избыточный отрицательный заряд, то есть становится электроном проводимости.

Разорванная же связь становится блуждающей по кристаллу дыркой, поскольку в условиях сильного обмена электрон одной из соседних связей быстро занимает место ушедшего, оставляя разорванной ту связь, откуда он ушёл. Недостаток электрона на одной из связей означает наличие у атома (или пары атомов) единичного положительного заряда, который, таким образом, переносится вместе с дыркой.

В случае ионной связи перекрытие электронных оболочек меньше, электронные переходы менее часты. При разрыве связи также образуются электрон проводимости и дырка - лишний электрон в одной из ячеек кристалла и некомпенсированный положительный заряд в другой ячейке. Оба они могут перемещаться по кристаллу, переходя из одной ячейки в другую.

Наличие двух разноимённо заряженных типов носителей тока - электронов и дырок является общим свойством полупроводников и диэлектриков. В идеальных кристаллах эти носители появляются всегда парами - возбуждение одного из связанных электронов и превращение его в электрон проводимости неизбежно вызывает появление дырки, так что концентрации обоих типов носителей равны. Это не означает, что вклад их в электропроводность одинаков, так как скорость перехода из ячейки в ячейку (подвижность) у электронов и дырок может быть различной. В реальных кристаллах, содержащих примеси и дефекты структуры, равенство концентраций электронов и дырок может нарушаться, так что электропроводность в таком случае будет осуществляется практически только одним типом носителей.

Чистые полупроводники являются относительно хорошими диэлектриками по сравнению с металлами, хотя и не настолько хорошими, как настоящий диэлектрик, например, стекло. Чтобы быть полезным в полупроводниковых применениях, собственный полупроводник (чистый нелегированный полупроводник) должен иметь не более одного атома примеси на 10 миллиардов атомов полупроводника. Это аналогично крупинке соли в железнодорожном вагоне сахара. Нечистые, или грязные полупроводники являются значительно более проводящими, хотя и такими хорошими, как металлы. Почему так происходит? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны рассмотреть электронную структуру этих материалов на рисунке ниже.

Рисунок ниже (a) показывает 4 электрона в валентной оболочке полупроводника, образующих ковалентные связи с четырьмя другими атомами. Это плоская, более простая для рисования, версия рисунка, приведенного ранее . Все электроны атома связаны в четырех ковалентных связях, в парах общих электронов. Электроны не могут свободно перемещаться по кристаллической решетке. Таким образом, собственные, чистые, полупроводники являются относительно хорошими диэлектриками по сравнению с металлами.

(a) Собственный полупроводник является диэлектриком, имеющим полную электронную оболочку.
(b) Тем не менее, тепловая энергия может создать несколько пар электрон-дырка, что в результате даст слабую проводимость.

Тепловая энергия иногда может освобождать электрон из кристаллической решетки, как показано на рисунке выше (b). Этому электрону становится доступно передвижение по кристаллической решетке. Когда электрон освобождается, он оставляет в кристаллической решетке пустое место с положительным зарядом, известное как дырка. Эта дырка не прикреплена к решетке и может свободно по ней перемещаться. Свободные электрон и дырка вносят свой вклад в движение электронов по кристаллической решетке. То есть, электрон свободен, пока он не попадает в дырку. Это явление называется рекомбинацией. При воздействии на полупроводник внешним электрическим полем электроны и дырки разводятся в противоположных направлениях. Увеличение температуры увеличит и количество электронов и дырок, что в свою очередь уменьшит сопротивление. Это противоположно поведению металлов, у которых сопротивление увеличивается с ростом температуры за счет увеличения столкновений электронов с кристаллической решеткой. Количество электронов и дырок в собственном полупроводнике одинаково. Тем не менее, оба носителя при воздействии внешнего поля необязательно будут двигаться с одинаковой скоростью. Другими словами, подвижность у электронов и дырок неодинакова.

Чистые полупроводники, сами по себе, не особенно полезны. Хотя полупроводники и должны быть в большой степени очищены от примесей для создания отправной точки перед добавлением определенных примесей.

В материал полупроводника, с долей содержания примесей 1 к 10 миллиардам, для увеличения количества носителей могут добавляться определенные примеси в соотношении примерно 1 часть на 10 миллионов. Добавление в полупроводник необходимой примеси известно, как легирование. Легирование увеличивает проводимость полупроводника, и, таким образом, он становится более сопоставим с металлом, а не с диэлектриком.

Можно увеличить количество отрицательно заряженных носителей в кристаллической решетке полупроводника путем легирования таким электронным донором, как фосфор. Электронные доноры, также известные, как примеси N-типа, включают в себя элементы группы VA (группы 15 по IUPAC) периодической таблицы: азот, фосфор, мышьяк и сурьма. Азот и фосфор являются примесью N-типа для алмаза. Фосфор, мышьяк и сурьма используются совместно с кремнием.

Кристаллическая решетка на рисунке ниже (b) содержит атомы, содержащие четыре электрона во внешней оболочке, формирующих ковалентные связи с соседними атомами. Эта кристаллическая решетка ожидаема. Добавление атома фосфора с пятью электронами во внешней оболочке вводит в решетку дополнительный электрон по сравнению с атомом кремния. Пятивалентная примесь образует четыре ковалентные связи с четырьмя атомами кремния с помощью четырех из пяти электронов, встраиваясь в решетку с одним электроном в запасе. Обратите внимание, что этот лишний электрон не сильно привязан к решетке, как электроны обычных атомов Si. Будучи не привязанным к узлу фосфора в кристаллической решетке, он свободен для перемещения по ней. Так как мы легировали одну часть фосфора на 10 миллионов атомов кремния, то по сравнению с многочисленными атомами кремния было создано лишь несколько свободных электронов. Тем не менее, по сравнению с немногочисленными парами электрон-дырка в собственном полупроводнике, в этом случае было создано достаточно много электронов.

(a) Конфигурация электронов внешней оболочки донора N-типа фосфора, кремния (для сравнения) и акцептора P-типа бора.
(b) Примесь донора N-типа создает свободный электрон.
(c) Примесь акцептора P-типа создает дырку, положительно заряженный носитель.

Кроме того, можно вводить примеси, у которых, по сравнению с кремнием, не хватает электрона, то есть, которые имеют три электрона в валентной оболочке, по сравнению с кремнием с четырьмя валентными электронами. На рисунке выше (c) они оставляют пустое место, известное как дырка, положительно заряженный носитель. Атом бора пытается связаться с четырьмя атомами кремния, но в валентной зоне имеет только три электрона. В попытке сформировать четыре ковалентные связи три его электрона двигаются вокруг, пытаясь образовать четыре связи. Это заставляет двигаться появляющуюся дырку. Кроме того, трехвалентный атом может занимать электрон от соседнего (или более отдаленного) атома кремния, чтобы сформировать четыре ковалентные связи. Однако это оставляет атом кремния с нехваткой одного электрона. Другими словами, дырка перемещается к соседнему (или более отдаленному) атому кремния. Дырки располагаются в валентной зоне, уровнем ниже зоны проводимости. Легирование электронным акцептором, атомом, который может принять электрон, создает дефицит электронов и избыток дырок. Так как дырки являются носителями положительного заряда, примесь электронного акцептора также известна, как примесь P-типа. Легирующая примесь P-типа оставляет полупроводник с избытком дырок, носителей положительного заряда. Элементы P-типа из группы IIIA (группы 13 по IUPAC) периодической таблицы включают в себя: бор, алюминий, галлий и индий. Бор используется в качестве легирующей примеси P-типа для полупроводников кремний и алмаз, в то время как индий используется с германием.

Подобно «шарику в трубе» передвижение электронов (рисунок ниже) зависит от движения дырок и движения электронов. Шарик представляет собой электроны в проводнике, в трубе. Движение электронов слева направо в проводнике или полупроводнике N-типа объясняется входом электрона в трубу слева, заставляя выйти электрон справа. Передвижение электронов в полупроводнике N-типа происходит в зоне проводимости. Сравните это с движением дырок в валентной зоне.

Аналогия с шариком в трубе:
(a) Электроны двигаются вправо в зоне проводимости.
(b) Дырки двигаются вправо в валентной зоне, в то время как электроны двигаются влево.

Чтобы дырка вошла в левой части рисунка выше (b), электрон должен быть удален. При перемещении дырки слева направо электрон должен двигаться справа налево. Первый электрон выбрасывается из левого конца трубы, чтобы дырка могла двигаться вправо в трубу. Электрон двигается в направлении, противоположном движению положительных дырок. Чтобы дырка двигалась дальше вправо, электроны должны перемещаться влево, заполняя дырку. Дырка - это отсутствие электрона в валентной зоне за счет легирования P-типа. Она имеет локальный положительный заряд. Чтобы переместить дырку в заданном направлении, валентные электроны двигаются в противоположном направлении.

Поток электронов в полупроводнике N-типа аналогичен движению электронов в металлическом проводе. Атомы примеси N-типа дадут электроны, доступные для передвижения. Эти электроны из-за легирующей примеси известны, как основные носители, так как они находятся в большинстве, по сравнению с немногочисленными тепловыми дырками. Если к пластине полупроводника N-типа приложить электрическое поле (рисунок ниже (a)), электроны перейдут в отрицательный (левый) конец пластины, пройдут кристаллическую решетку и выйдут справа к клемме (+) батареи.

(a) Полупроводник N-типа с электронами, перемещающимися через кристаллическую решетку слева направо.
(b) Полупроводник P-типа с дырками, перемещающимися слева направо, что соответствует движению электронов в противоположном направлении.

Объяснить протекание тока в полупроводнике P-типа немного сложнее. Примесь P-типа, акцептор электронов, придает локальным областям положительный заряд, известный как дырки. Эти дырки и являются основными носителями в полупроводнике P-типа. Хотя дырки и образуются в местах трехвалентных атомов примеси, они могут перемещаться по пластине полупроводника. Обратите внимание, что включение батареи на рисунке выше (b) противоположно включению на рисунке (a). Положительный вывод батареи подключен к левому концу пластины P-типа. Поток электронов выходит из отрицательного вывода батареи и через пластину P-типа возвращается к положительному выводу батареи. Электрон покидает положительный (левый) конец пластины полупроводника, чтобы положительный вывод батареи оставил дырку в полупроводнике, которая может двигаться вправо. Дырки проходят через кристаллическую решетку слева направо. В отрицательном конце пластины электрон из батареи соединяется с дыркой, нейтрализуя её. Это дает возможность другой дырке в положительном конце пластины двигаться вправо. Имейте в виду, что когда дырки перемещаются слева направо, это на самом деле электроны двигаются в противоположном направлении, что и делает видимым движение дырок.

Элементы, используемые для производства полупроводников, приведены на рисунке ниже. Полупроводниковый материал германий из группы IVA (14 по IUPAC) сейчас используется довольно ограничено. Полупроводники на основе кремния составляют около 90% всего промышленного производства полупроводников. Полупроводники на основе алмаза сейчас широко исследуются и обладают значительным потенциалом. Составные полупроводники включают в себя кремний-германий (тонкие слои на пластинах Si), карбид кремния и соединения групп III-V, например, арсенид галлия. Полупроводниковые соединения групп III-VI включают в себя AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, Al x Ga 1-x As и In x Ga 1-x As. Столбцы II и VI периодической таблицы, не показанные на рисунке, также формируют составные полупроводники.

Группа IIIA - примеси P-типа, группа IV - основные полупроводниковые материалы, и группа VA - примеси N-типа.

Основной причиной включения групп IIIA и VA на рисунок выше является возможность показать примеси, используемые с группой полупроводников IVA. Элементы группы IIIA являются акцепторами, примесями P-типа, которые принимают электроны, оставляя дырки (положительные носители) в кристаллической решетке. Бор является примесью P-типа для алмаза и самой распространенной примесью для кремниевых полупроводников. Индий является примесью P-типа для германия.

Элементы группы VA являются донорами, примесями N-типа, дающими свободный электрон. Азот и фосфор подходят в качестве примеси N-типа для алмаза. Фосфор и мышьяк являются наиболее используемыми примесями N-типа для кремния, хотя может использоваться и сурьма.

Итоги

Собственные полупроводники, максимальная доля примеси в которых составляет 1 на 10 миллиардов, являются плохими проводниками.

Полупроводник N-типа легируется пятивалентной примесью, чтобы создать свободные электроны. Такой материал является проводящим. Электрон в нем является основным носителем.

Полупроводник P-типа, легированный трехвалентной примесью, имеет множество свободных дырок. Это носители положительного заряда. Материал P-типа является проводящим. Дырки в нем являются основными носителями.

Большинство полупроводников основаны на элементах из группы IVA периодической таблицы. Причем кремний является наиболее распространенным, германий устарел, а углерод (алмаз) в настоящее время исследуется.

Широко используются и составные полупроводники, такие как карбид кремния (группа IVA) и арсенид галлия (группа III-V).

Цель работы - ознакомление с физическими процессами в ЭДП, изучение вольтамперных характеристик диодов из германия и кремния и их зависимости от ширины запрещенной зоны полупроводника и температуры, определение ширины запрещенной зоны германия, изучение p-n-перехода как приемника света (фотодиода).

ЭЛЕКТРОНЫ И ДЫРКИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

В твердом теле атомы находятся друг от друга на расстоянии порядка атомного размера, поэтому в нем валентные электроны могут переходить от одного атома к другому. Однако этот процесс не приводит непосредственно к электропроводности, так как в целом распределение электронной плотности жестко фиксировано. Например, в германии и кремнии два электрона осуществляют ковалентную связь между двумя соседними атомами в кристалле. Чтобы создать проводимость, необходимо разорвать хотя бы одну из связей, удалить с нее электрон и перенести его в какую-либо другую ячейку кристалла, где все связи заполнены, и этот электрон будет лишним. Такой электрон в дальнейшем переходит из ячейки в ячейку. Являясь лишним, он переносит с собой излишний отрицательный заряд, т.е. становится электроном проводимости.

Разорванная связь становится блуждающей по кристаллу дыркой, поскольку электрон соседней связи быстро занимает место ушедшего. Недостаток электрона у одной из связей означает наличие у пары атомов единичного положительного заряда, который переносится вместе с дыркой. Электроны и дырки - свободные носители заряда в полупроводниках. В идеальных кристаллах, не имеющих ни примесей, ни дефектов, возбуждение одного из связанных электронов и превращение его в электрон проводимости неизбежно вызывает появление дырки, так что концентрация обоих типов носителей равны между собой.

Для образования электронно- дырочной пары необходимо затратить энергию, превышающую ширину запрещенной зоны Eд; например, для германия Ед=0,66 эВ. для кремния Ед=1,11 эВ.

Помимо процесса образования электронов и дырок идет обратный процесс - их исчезновение, или рекомбинация. Электрон проводимости, оказавшись рядом с дыркой, восстанавливает разорванную связь. При этом исчезают один электрон проводимости и одна дырка. При отсутствии внешних воздействий, например света, устанавливается динамическое равновесие процессов, протекающих в обоих направлениях. Равновесные концентрации электронов и дырок определяются абсолютной температурой Т, шириной запрещенной зоны Ед, концентрацией примесей и другими факторами. Однако произведение концентраций электронов и дырок (n и p соответственно) не зависит от количества примесей и определяется для данного полупроводника температурой и величиной Eд:

где k – постоянная Больцмана; А – коэффициент пропорциональности.

Рассмотрим два следствия из формулы. В собственном (беспримесном) полупроводнике одинаковые концентрации электронов и дырок будут равны

В примесных полупроводниках при достаточно большом количестве примеси концентрация основных носителей примерно равна концентрации примеси. Например, в полупроводнике n-типа концентрация электронов равна концентрации донорных атомов; тогда концентрация дырок (неосновных носителей) равна:

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОЙ ПЕРЕХОД В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

В монокристалле можно создать резкий переход от полупроводника n-типа к полупроводнику p-типа. На рисунке левая от линии ММ часть кристалла, p-типа, содержит основные -носители - дырки, примерно такое же количество отрицательных акцепторных ионов и незначительное количество электронов. Правая часть, n-типа, содержит соответственно электроны проводимости (основные носители), положительные донорные ионы и небольшое количество дырок.

ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИДЕАЛЬНОГО ЭДП

Зависимость I(U) называют вольт-амперной характеристикой ЭДП (диода).

В зависимости от значения питающего напряжении и полярности источника изменяется высота барьера в ЭДП при неизменной полярности двойного слоя зарядов. Поскольку неосновные носители "скатываются" с барьера, ток неосновных носителей остается постоянным при изменениях высоты барьера. Ток основных носителей, которые "взбираются" на барьер, очень чувствителен к его высоте: при повышении барьера он быстро уменьшается до нуля, а при понижении барьера может возрасти на несколько порядков. Чтобы получить зависимость тока от напряжения, необходимо знать энергетический спектр частиц. В целом эта зависимость довольно сложная, но для описания процессов в ЭДП необходимо знать только самую "энергетическую" честь спектра, "хвост" распределения, поскольку в практических случаях только самые быстрые частицы способны преодолеть барьер. Спектр таких быстрых электронов экспоненциальный.

При прямом смешении ток протекает в положительном направлении, а при обратном смещении направление тока изменяется. Напряжению U припишем знак "плюс" при прямом смещении и "минус" при обратном смещении. Тогда можно получить зависимость, описывающую вольт-амперную характеристику идеального электронно-дырочного перехода

Теоретическая вольт-амперная характеристика р - п -перехода, рассчитанная по формуле при комнатной температуре Т= 295 К, представлена на рисунке и в таблице (напряжение U в вольтах). Зависимость I(U) обладает резко выраженной нелинейностью, т.е. проводимость (или сопротивление) р - п -перехода сильно зависит от U. При обратном смещении через переход течет ток Is неосновных носителей, называемые током насыщения, который обычно мал и почти не зависит от напряжения.

Как видно из формулы, ток насыщения задает масштаб по оси I вольт-амперной характеристики. Значение Is пропорционально площади перехода, концентрации неосновных носителей и их скорости хаотического движения. Учитывая формулу, получаем следующую зависимость тока насыщения от ширины запрещенной зоны и температуры:

где С - коэффициент пропорциональности, не зависящий от Ед и Т.

Экспоненциальный множитель определяет сильную зависимость тока как от температуры, так и ширины запрещенной зоны. При увеличении Ед, например при замене германия кремнием, ток Is уменьшается на несколько порядков, кремниевые диоды почти не пропускают ток в обратном направлении; как следствие, изменяется ВАХ при прямом смещении (качественно эти изменения отражены на рис.). Ток насыщения возрастает при нагревании; например, для германия расчет по формуле дает увеличение тока в 80 раз при нагревании от комнатной температуры на 60 °С (от 295 до 355 К). Изменения ВАХ при нагревании показаны на рис.

Из опыта, в котором измерен ток насыщения при различной температуре, можно найти значение Ед. Полученную зависимость следует сравнить с формулой, которую логарифмированием преобразуем к виду

Если точки ложатся на прямую, то опыт подтверждает экспоненциальную зависимость тока от обратной температуры.

ЭДП В КАЧЕСТВЕ ПРИЕМНИКА СВЕТА (Фотодиод)

Свет может разорвать электронную связь в полупроводнике, образуя электрон проводимости и дырку (на зонной диаграмме электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости). При этом концентрация носителей (и проводимость полупроводника) становится больше равновесной. Такой процесс называется внутренним фотоэффектом (в отличие от внешнего фотоэффекта при внутреннем фотоэффекте электрон не вылетает наружу). Разрыв электронной связи осуществляется одним квантом света (фотоном), энергия которого должна превышать значение Ед. Следовательно, у внутреннего фотоэффекта имеется "красная граница". Для кремния, что больше, чем длина волны видимого света.

При освещении p-n-перехода образуются дополнительные электронно-дырочные пары. При достаточном освещении они могут существенно увеличить концентрацию неосновных носителей, которых было мало, практически не изменяя в процентном отношении количество основных носителей. При этой к существовавшему в темноте току неосновных носителей - Is добавляется фототок - I, протекающий в том же направлении.

Фототок равен разности тока и тока называемого в данной случае темновым током. При достаточно большой освещенности темновой ток может составлять пренебрежимо малую долю полного тока. Электронно-дырочный переход, специально изготовленный для детектирования света и работающий при обратном смещении, называется фотодиодом. Это простой и удобный приемник света, фототок которого пропорционален освещенности Е.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Упрощенная схема, в которой не показаны переключатели, дана на рис. Диод Д (кремниевый или германиевый) через резистор R подключен к источнику постоянного напряжения (ИП), изменяемого от 0 до 15 В. Переменный резистор R1 также используется для изменения напряжения на диоде. Цифровым вольтметром с большим сопротивлением измеряют напряжения U на диоде и Ur на известном сопротивлении R для вычисления тока I=Ur/R. Для измерения малых токов устанавливают большое сопротивление.

Два диода, нагреватель и один спай термопары плотно закреплены на металлической пластине, расположенной в камере с крышкой. Для опытов со светом защитная оболочка кремниевого диода удалена, и при открытой крышке р-п -переход можно осветить лампой. Для измерения температуры диодов служит термопара. Она состоит из двух металлических проводников - медного и константанового (специальный сплав), спай которых находится в тепловом контакте с диодами при измеряемой температуре Т. Другие концы проводов соединены с вольтметром, они имеют комнатную температуру T 1 - 295 К. Когда температуры Т и Т 1 различны, в цепи возникает термоЭДС U T , пропорциональная разности температур и измеряемая вольтметром. Температуру диодов в Кельвинах можно вычислить по формуле

T=295+24.4 U T ,

где напряжение U T следует взять в милливольтах.

Темы кодификатора ЕГЭ : полупроводники, собственная и примесная проводимость полупроводников.

До сих пор, говоря о способности веществ проводить электрический ток, мы делили их на проводники и диэлектрики. Удельное сопротивление обычных проводников находится в интервале Ом·м; удельное сопротивление диэлектриков превышает эти величины в среднем на порядков: Ом·м.

Но существуют также вещества, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Это полупроводники : их удельное сопротивление при комнатной температуре может принимать значения в очень широком диапазоне Ом·м. К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, некоторые другие химические элементы и соединения (Полупроводники чрезвычайно распространены в природе. Например, около 80% массы земной коры приходится на вещества, являющиеся полупроводниками). Наиболее широко примененяются кремний и германий .

Главная особенность полупроводников заключается в том, что их электропроводность резко увеличивается с повышением температуры. Удельное сопротивление полупроводника убывает с ростом температуры примерно так, как показано на рис. 1 .

Рис. 1. Зависимость для полупроводника

Иными словами, при низкой температуре полупроводники ведут себя как диэлектрики, а при высокой - как достаточно хорошие проводники. В этом состоит отличие полупроводников от металлов: удельное сопротивление металла, как вы помните, линейно возрастает с увеличением температуры.

Между полупроводниками и металлами имеются и другие отличия. Так, освещение полупроводника вызывает уменьшение его сопротивления (а на сопротивление металла свет почти не оказывает влияния). Кроме того, электропроводность полупроводников может очень сильно меняться при введении даже ничтожного количества примесей.

Опыт показывает, что, как и в случае металлов, при протекании тока через полупроводник не происходит переноса вещества. Стало быть, электрический ток в полупроводниках обусловлен движением электронов.

Уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании говорит о том, что повышение температуры приводит к увеличению количества свободных зарядов в полупроводнике. В металлах ничего такого не происходит; следовательно, полупроводники обладают иным механизмом электропроводности, чем металлы. И причина этого - различная природа химической связи между атомами металлов и полупроводников.

Ковалентная связь

Металлическая связь, как вы помните, обеспечивается газом свободных электронов, который, подобно клею, удерживает положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Полупроводники устроены иначе - их атомы скрепляет ковалентная связь . Давайте вспомним, что это такое.

Электроны, находящиеся на внешнем электронном уровне и называемые валентными , слабее связаны с атомом, чем остальные электроны, которые расположены ближе к ядру. В процессе образования ковалентной связи два атома вносят «в общее дело» по одному своему валентному электрону. Эти два электрона обобществляются, то есть теперь принадлежат уже обоим атомам, и потому называются общей электронной парой (рис. 2 ).

Рис. 2. Ковалентная связь

Обобществлённая пара электронов как раз и удерживает атомы друг около друга (с помощью сил электрического притяжения). Ковалентная связь - это связь, существующая между атомами за счёт общих электронных пар . По этой причине ковалентная связь называется также парноэлектронной .

Кристаллическая структура кремния

Теперь мы готовы подробнее изучить внутреннее устройство полупроводников. В качестве примера рассмотрим самый распространённый в природе полупроводник - кремний. Аналогичное строение имеет и второй по важности полупроводник - германий.

Пространственная структура кремния представлена на рис. 3 (автор картинки - Ben Mills). Шариками изображены атомы кремния, а трубки, их соединяющие, - это каналы ковалентной связи между атомами.

Рис. 3. Кристаллическая структура кремния

Обратите внимание, что каждый атом кремния скреплён с четырьмя соседними атомами. Почему так получается?

Дело в том, что кремний четырёхвалентен - на внешней электронной оболочке атома кремния расположены четыре валентных электрона. Каждый из этих четырёх электронов готов образовать общую электронную пару с валентным электроном другого атома. Так и происходит! В результате атом кремния окружается четырьмя пристыковавшимися к нему атомами, каждый из которых вносит по одному валентному электрону. Соответственно, вокруг каждого атома оказывается по восемь электронов (четыре своих и четыре чужих).

Более подробно мы видим это на плоской схеме кристаллической решётки кремния (рис. 4 ).

Рис. 4. Кристаллическая решётка кремния

Ковалентные связи изображены парами линий, соединяющих атомы; на этих линиях находятся общие электронные пары. Каждый валентный электрон, расположенный на такой линии, большую часть времени проводит в пространстве между двумя соседними атомами.

Однако валентные электроны отнюдь не «привязаны намертво» к соответствующим парам атомов. Происходит перекрытие электронных оболочек всех соседних атомов, так что любой валентный электрон есть общее достояние всех атомов-соседей. От некоторого атома 1 такой электрон может перейти к соседнему с ним атому 2, затем - к соседнему с ним атому 3 и так далее. Валентные электроны могут перемещаться по всему пространству кристалла - они, как говорят, принадлежат всему кристаллу (а не какой-либо одной атомной паре).

Тем не менее, валентные электроны кремния не являются свободными (как это имеет место в металле). В полупроводнике связь валентных электронов с атомами гораздо прочнее, чем в металле; ковалентные связи кремния не разрываются при невысоких температурах. Энергии электронов оказывается недостаточно для того, чтобы под действием внешнего электрического поля начать упорядоченное движение от меньшего потенциала к большему. Поэтому при достаточно низких температурах полупроводники близки к диэлектрикам - они не проводят электрический ток.

Собственная проводимость

Если включить в электрическую цепь полупроводниковый элемент и начать его нагревать, то сила тока в цепи возрастает. Следовательно, сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры. Почему это происходит?

При повышении температуры тепловые колебания атомов кремния становятся интенсивнее, и энергия валентных электронов возрастает. У некоторых электронов энергия достигает значений, достаточных для разрыва ковалентных связей. Такие электроны покидают свои атомы и становятся свободными (или электронами проводимости ) - точно так же, как в металле. Во внешнем электрическом поле свободные электроны начинают упорядоченное движение, образуя электрический ток.

Чем выше температура кремния, тем больше энергия электронов, и тем большее количество ковалентных связей не выдерживает и рвётся. Число свободных электронов в кристалле кремния возрастает, что и приводит к уменьшению его сопротивления.

Разрыв ковалентных связей и появление свободных электронов показан на рис. 5 . На месте разорванной ковалентной связи образуется дырка - вакантное место для электрона. Дырка имеет положительный заряд, поскольку с уходом отрицательно заряженного электрона остаётся нескомпенсированный положительный заряд ядра атома кремния.

Рис. 5. Образование свободных электронов и дырок

Дырки не остаются на месте - они могут блуждать по кристаллу. Дело в том, что один из соседних валентных электронов, «путешествуя» между атомами, может перескочить на образовавшееся вакантное место, заполнив дырку; тогда дырка в этом месте исчезнет, но появится в том месте, откуда электрон пришёл.

При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок носит случайный характер, ибо валентные электроны блуждают между атомами хаотически. Однако в электрическом поле начинается направленное движение дырок. Почему? Понять это несложно.

На рис. 6 изображён полупроводник, помещённый в электрическое поле . В левой части рисунка - начальное положение дырки.

Рис. 6. Движение дырки в электрическом поле

Куда сместится дырка? Ясно, что наиболее вероятны перескоки «электрон > дырка» в направлении против линий поля (то есть к «плюсам», создающим поле). Один из таких перескоков показан в средней части рисунка: электрон прыгнул влево, заполнив вакансию, а дырка, соответственно, сместилась вправо. Следующий возможный скачок электрона, вызванный электрическим полем, изображён в правой части рисунка; в результате этого скачка дырка заняла новое место, расположенное ещё правее.

Мы видим, что дырка в целом перемещается по направлению линий поля - то есть туда, куда и полагается двигаться положительным зарядам. Подчеркнём ещё раз, что направленное движение дырки вдоль поля вызвано перескоками валентных электронов от атома к атому, происходящими преимущественно в направлении против поля.

Таким образом, в кристалле кремния имеется два типа носителей заряда: свободные электроны и дырки. При наложении внешнего электрического поля появляется электрический ток, вызванный их упорядоченным встречным движением: свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряжённости поля , а дырки - в направлении вектора .

Возникновение тока за счёт движения свободных электронов называется электронной проводимостью , или проводимостью n-типа . Процесс упорядоченного перемещения дырок называется дырочной проводимостью ,или проводимостью p-типа (от первых букв латинских слов negativus (отрицательный) и positivus (положительный)). Обе проводимости - электронная и дырочная - вместе называются собственной проводимостью полупроводника.

Каждый уход электрона с разорванной ковалентной связи порождает пару «свободный электрон–дырка». Поэтому концентрация свободных электронов в кристалле чистого кремния равна концентрации дырок. Соответственно, при нагревании кристалла увеличивается концентрация не только свободных электронов, но и дырок, что приводит к возрастанию собственной проводимости полупроводника за счёт увеличения как электронной, так и дырочной проводимости.

Наряду с образованием пар «свободный электрон–дырка» идёт и обратный процесс: рекомбинация свободных электронов и дырок. А именно, свободный электрон, встречаясь с дыркой, заполняет эту вакансию, восстанавливая разорванную ковалентную связь и превращаясь в валентный электрон. Таким образом, в полупроводнике устанавливается динамическое равновесие : среднее число разрывов ковалентных связей и образующихся электронно-дырочных пар в единицу времени равно среднему числу рекомбинирующих электронов и дырок. Это состояние динамического равновесия определяет равновесную концентрацию свободных электронов и дырок в полупроводнике при данных условиях.

Изменение внешних условий смещает состояние динамического равновесия в ту или иную сторону. Равновесное значение концентрации носителей заряда при этом, естественно, изменяется. Например, число свободных электронов и дырок возрастает при нагревании полупроводника или при его освещении.

При комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок в кремнии приблизительно равно см. Концентрация же атомов кремния - порядка см. Иными словами, на атомов кремния приходится лишь один свободный электрон! Это очень мало. В металлах, например, концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов. Соответственно, собственная проводимость кремния и других полупроводников при нормальных условиях мала по сравнению с проводимостью металлов .

Примесная проводимость

Важнейшей особенностью полупроводников является то, что их удельное сопротивление может быть уменьшено на несколько порядков в результате введения даже весьма незначительного количества примесей. Помимо собственной проводимости у полупроводника возникает доминирующая примесная проводимость . Именно благодаря этому факту полупроводниковые приборы нашли столь широкое применение в науке и технике.
Предположим, например, что в расплав кремния добавлено немного пятивалентного мышьяка . После кристаллизации расплава оказывается, что атомы мышьяка занимают места в некоторых узлах сформировавшейся кристаллической решётки кремния.

На внешнем электронном уровне атома мышьяка имеется пять электронов. Четыре из них образуют ковалентные связи с ближайшими соседями - атомами кремния (рис. 7 ). Какова судьба пятого электрона, не занятого в этих связях?

Рис. 7. Полупроводник n-типа

А пятый электрон становится свободным! Дело в том, что энергия связи этого «лишнего» электрона с атомом мышьяка, расположенным в кристалле кремния, гораздо меньше энергии связи валентных электронов с атомами кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка в результате теплового движения остаются без пятого электрона, превращаясь в положительные ионы. А кристалл кремния, соответственно, наполняется свободными электронами, которые отцепились от атомов мышьяка.

Наполнение кристалла свободными электронами для нас не новость: мы видели это и выше, когда нагревался чистый кремний (без каких-либо примесей). Но сейчас ситуация принципиально иная: появление свободного электрона, ушедшего из атома мышьяка, не сопровождается появлением подвижной дырки . Почему? Причина та же - связь валентных электронов с атомами кремния гораздо прочнее, чем с атомом мышьяка на пятой вакансии, поэтому электроны соседних атомов кремния и не стремятся эту вакансию заполнить. Вакансия, таким образом, остаётся на месте, она как бы «приморожена» к атому мышьяка и не участвует в создании тока.

Таким образом, внедрение атомов пятивалентного мышьяка в кристаллическую решётку кремния создаёт электронную проводимость, но не приводит к симметричному появлению дырочной проводимости . Главная роль в создании тока теперь принадлежит свободным электронам, которые в данном случае называются основными носителями заряда.

Механизм собственной проводимости, разумеется, продолжает работать и при наличии примеси: ковалентные связи по-прежнему рвутся за счёт теплового движения, порождая свободные электроны и дырки. Но теперь дырок оказывается гораздо меньше, чем свободных электронов, которые в большом количестве предоставлены атомами мышьяка. Поэтому дырки в данном случае будут неосновными носителями заряда.

Примеси, атомы которых отдают свободные электроны без появления равного количества подвижных дырок, называются донорными . Например, пятивалентный мышьяк - донорная примесь. При наличии в полупроводнике донорной примеси основными носителями заряда являются свободные электроны, а неосновными - дырки; иными словами, концентрация свободных электронов намного превышает концентрацию дырок. Поэтому полупроводники с донорными примесями называются электронными полупроводниками , или полупроводниками n-типа (или просто n-полупроводниками ).

А насколько, интересно, концентрация свободных электронов может превышать концентрацию дырок в n-полупроводнике? Давайте проведём простой расчёт.

Предположим, что примесь составляет , то есть на тысячу атомов кремния приходится один атом мышьяка. Концентрация атомов кремния, как мы помним, порядка см.

Концентрация атомов мышьяка, соответственно, будет в тысячу раз меньше: см. Такой же окажется и концентрация свободных электронов, отданных примесью - ведь каждый атом мышьяка отдаёт по электрону. А теперь вспомним, что концентрация электронно-дырочных пар, появляющихся при разрывах ковалентных связей кремния, при комнатной температуре примерно равна см. Чувствуете разницу? Концентрация свободных электронов в данном случае больше концентрации дырок на порядков, то есть в миллиард раз! Соответственно, в миллиард раз уменьшается удельное сопротивление кремниевого полупроводника при введении столь небольшого количества примеси.

Приведённый расчёт показывает, что в полупроводниках n-типа основную роль действительно играет электронная проводимость. На фоне столь колоссального превосходства численности свободных электронов вклад движения дырок в общую проводимость пренебрежимо мал.

Можно, наоборот, создать полупроводник с преобладанием дырочной проводимости. Так получится, если в кристалл кремния внедрить трёхвалентную примесь - например, индий . Результат такого внедрения показан на рис. 8 .

Рис. 8. Полупроводник p-типа

Что происходит в этом случае? На внешнем электронном уровне атома индия расположены три электрона, которые формируют ковалентные связи с тремя окружающими атомами кремния. Для четвёртого соседнего атома кремния у атома индия уже не хватает электрона, и в этом месте возникает дырка.

И дырка эта не простая, а особенная - с весьма большой энергией связи. Когда в неё попадёт электрон из соседнего атома кремния, он в ней «застрянет навеки», ибо притяжение электрона к атому индия весьма велико - больше, чем к атомам кремния. Атом индия превратится в отрицательный ион, а в том месте, откуда электрон пришёл, возникнет дырка - но теперь уже обыкновенная подвижная дырка в виде разорванной ковалентной связи в кристаллической решётке кремния. Эта дырка обычным образом начнёт блуждать по кристаллу за счёт «эстафетной» передачи валентных электронов от одного атома кремния к другому.

И так, каждый примесный атом индия порождает дырку, но не приводит к симметричному появлению свободного электрона. Такие примеси, атомы которых захватывают «намертво» электроны и тем самым создают в кристалле подвижную дырку, называются акцепторными .

Трёхвалентный индий - пример акцепторной примеси.

Если в кристалл чистого кремния ввести акцепторную примесь, то число дырок, порождённых примесью, будет намного больше числа свободных электронов, возникших за счёт разрыва ковалентных связей между атомами кремния. Полупроводник с акцепторной примесью - это дырочный полупроводник , или полупроводник p-типа (или просто p-полупроводник ).

Дырки играют главную роль при создании тока в p-полупроводнике; дырки - основные носители заряда . Свободные электроны - неосновные носители заряда в p-полупроводнике. Движение свободных электронов в данном случае не вносит существенного вклада: электрический ток обеспечивается в первую очередь дырочной проводимостью.

p–n-переход

Место контакта двух полупроводников с различными типами проводимости (электронной и дырочной) называется электронно-дырочным переходом , или p–n-переходом . В области p–n-перехода возникает интересное и очень важное явление - односторонняя проводимость.

На рис. 9 изображён контакт областей p- и n-типа; цветные кружочки - это дырки и свободные электроны, которые являются основными (или неосновными) носителями заряда в соответствующих областях.

Рис. 9. Запирающий слой p–n-перехода

Совершая тепловое движение, носители заряда проникают через границу раздела областей.

Свободные электроны переходят из n-области в p-область и рекомбинируют там с дырками; дырки же диффундируют из p-области в n-область и рекомбинируют там с электронами.

В результате этих процессов в электронном полупроводнике около границы контакта остаётся нескомпенсированный заряд положительных ионов донорной примеси, а в дырочном полупроводнике (также вблизи границы) возникает нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Эти нескомпенсированные объёмные заряды образуют так называемый запирающий слой , внутреннее электрическое поле которого препятствует дальнейшей диффузии свободных электронов и дырок через границу контакта.

Подключим теперь к нашему полупроводниковому элементу источник тока, подав «плюс» источника на n-полупроводник, а «минус» - на p-полупроводник (рис. 10 ).

Рис. 10. Включение в обратном направлении: тока нет

Мы видим, что внешнее электрическое поле уводит основные носители заряда дальше от границы контакта. Ширина запирающего слоя увеличивается, его электрическое поле возрастает. Сопротивление запирающего слоя велико, и основные носители не в состоянии преодолеть p–n-переход. Электрическое поле позволяет переходить границу лишь неосновным носителям, однако ввиду очень малой концентрации неосновных носителей создаваемый ими ток пренебрежимо мал.

Рассмотренная схема называется включением p–n-перехода в обратном направлении . Электрического тока основных носителей нет; имеется лишь ничтожно малый ток неосновных носителей. В данном случае p–n-переход оказывается закрытым.

Теперь поменяем полярность подключения и подадим «плюс» на p-полупроводник, а «минус»-на n-полупроводник (рис. 11 ). Эта схема называется включением в прямом направлении .

Рис. 11. Включение в прямом направлении: ток идёт

В этом случае внешнее электрическое поле направлено против запирающего поля и открывает путь основным носителям через p–n-переход. Запирающий слой становится тоньше, его сопротивление уменьшается.

Происходит массовое перемещение свободных электронов из n-области в p-область, а дырки, в свою очередь, дружно устремляются из p-области в n-область.

В цепи возникает ток , вызванный движением основных носителей заряда (Теперь, правда, электрическое поле препятствует току неосновных носителей, но этот ничтожный фактор не оказывает заметного влияния на общую проводимость).

Односторонняя проводимость p–n-перехода используется в полупроводниковых диодах . Диодом называется устройство, проводящие ток в лишь одном направлении; в противоположном направлении ток через диод не проходит (диод, как говорят, закрыт). Схематическое изображение диода показано на рис. 12 .

Рис. 12. Диод

В данном случае диод открыт в направлении слева направо: заряды как бы текут вдоль стрелки (видите её на рисунке?). В направлении справа налево заряды словно упираются в стенку - диод закрыт.

Дырка
Символ:	h (англ. hole )
Когда электрон покидает атом гелия, на его месте остается дырка. При этом атом становится положительно заряженным.
Состав:	Квазичастица
Классификация:	Лёгкие дырки , тяжёлые дырки
В честь кого и/или чего названа:	Отсутствие электрона
Квантовые0 числа :
Электрический заряд :	+1
Спин :	Определяется спином электронов в валентной зоне ħ

Определение по ГОСТ 22622-77: «Незаполненная валентная связь, которая проявляет себя как положительный заряд, численно равный заряду электрона».

Дырочную проводимость можно объяснить при помощи следующей аналогии: имеется ряд людей, сидящих в аудитории, где нет запасных стульев. Если кто-нибудь из середины ряда хочет уйти, он перелезает через спинку стула в пустой ряд и уходит. Здесь пустой ряд - аналог зоны проводимости , а ушедшего человека можно сравнить со свободным электроном. Представим, что ещё кто-то пришёл и хочет сесть. Из пустого ряда плохо видно, поэтому там он не садится. Вместо этого человек, сидящий возле свободного стула, пересаживается на него, вслед за ним это повторяют и все его соседи. Таким образом, пустое место как бы двигается к краю ряда. Когда это место окажется рядом с новым зрителем, он сможет сесть.

В этом процессе каждый сидящий передвинулся вдоль ряда. Если бы зрители обладали отрицательным зарядом, такое движение было бы электрической проводимостью . Если вдобавок стулья заряжены положительно, то ненулевым суммарным зарядом будет обладать только свободное место. Это простая модель, показывающая как работает дырочная проводимость. Однако на самом деле, из-за свойств кристаллической решётки, дырка не находится в определённом месте, как описано выше, а размазана по области размером во много сотен элементарных ячеек.

Для создания дырок в полупроводниках используется легирование кристаллов акцепторными примесями . Кроме того, дырки могут возникать и в результате внешних воздействий: теплового возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости, освещения светом или облучения ионизирующим излучением .

В случае кулоновского взаимодействия дырки с электроном из зоны проводимости образуется связанное состояние, называемое экситоном .

Тяжёлые дырки - название одной из ветвей энергетического спектра валентной зоны кристалла.

Дырки в квантовой химии

Термин ды́рка также используется в вычислительной химии , где основное состояние молекулы интерпретируется как вакуумное состояние - в этом состоянии нет электронов. В такой схеме отсутствие электрона в обычно-заполненном состоянии называется ды́ркой и рассматривается как частица. А присутствие электрона в обычно-пустом пространстве просто называют электроном.