Полупроводники. 
Химия

Типы проводимости элементарных полупроводников

Кремний и германий — классические полупроводниковые элементы, как и их химические соединения, также являющиеся полупроводниками. Прежде чем обсуждать их свойства, рассмотрим некоторые аспекты явления полупроводимости. Вспомним о механизме полупроводимости из курса физики^[1]. Полупроводники — это вещества, удельное сопротивление ко;

торых уменьшается с повышением температуры, при наличии примесей, при изменении освещенности. Это их главное электрофизическое отличие от металлов. Обычно к полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5—2 эВ. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объяснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы возбуждаются, и энергии возбуждения достаточно для освобождения одного электрона из пары, обеспечивающей ковалентную связь, и тем самым ионизации части атомов в узлах кристаллической решетки.

Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая ток проводимости. Этот тип проводимости называется «-проводимостью (от англ, negative — отрицательный, по знаку заряда переносчиков тока). Высвобождение электрона приводит к образованию не положительного иона (электрон отрывается не от атома, а от электронной пары), а особого состояния «разорванной пары» a-связи, называемого вакансией, или дыркой. Вакансия может восстановиться до полноценной связи, захватив свободный электрон или оторвав электрон от ковалентной пары, связывающей соседние атомы. В результате таких переходов электронов происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном. Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как перемещение положительного заряда, который и приписывается дырке. Следует отметить, что по своим электрофизическим характеристикам (в частности, подвижности под действием внешнего ноля) дырки не эквивалентны электронам и ведут себя как особые самостоятельные объекты. При помещении кристалла в электрическое поле возникает их упорядоченное движение — ток дырочной проводимости. Этот тип проводимости называется р-проводимостыо (от англ, positive — положительный, по знаку заряда).

В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и дырок. Такой тип проводимости называется собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается. На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные.

Донорная примесь — это примесь химического элемента, атомы которого могут являться донорами электронов. Как правило, это элементы из групп с большим номером, чем номер группы самого полупроводника (элементы V—VIII групп). При добавлении донорной примеси суммарная проводимость полупроводника становится проводимостью «-типа.

Акцепторная примесь — это примесь химического элемента, атомы которого могут являться акцепторами электронов. Как правило, это элементы из групп с меньшим номером, чем номер группы самого полупроводника (элементы I—III групп). При добавлении акцепторной примеси суммарная проводимость полупроводника становится проводимостью р-типа.

Проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике донорных и акцепторных примесей, называется примесной.

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах //-//-перехода. При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов р-типа и /7-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из /7-области в р-область, а дырок — наоборот, из р-области в^{-область.} Этот процесс будет не бесконечным во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и дырок. Контакт р-и-нолунроводников обладает односторонней проводимостью: если подключить «+» источника тока к р-области, а «-» источника тока — к //-области, то запирающий слой разрушится, и р-п-контакт будет проводить ток, электроны из //-области пойдут в р-область, а дырки из р-области — в /7-область (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Диффузия электронов.

Если к р-области подключить «-» источника тока, а к /7-области — «+», то запирающий слой расширится и тока не будет. Полупроводниковый диод состоит из контакта двух полупроводников ри п-типа. Достоинствами полупроводникового диода являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокий коэффициент полезного действия, а недостатком — зависимость сопротивления от температуры. В радиоэлектронике применяется также еще один полупроводниковый прибор — транзистор, который был изобретен в 1948 г. В основе его работы — использование двухр-/7-переходов. Более детально свойства р-77-нерехода рассматривает зонная теория, основы которой изучаются в курсе физики.

Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов — транзисторов, диодов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе. В результате этого процесса на одном кристалле одновременно создаются несколько тысяч транзисторов, конденсаторов, резисторов и диодов. Размеры отдельных элементов микросхемы могут быть 2—5 мкм, погрешность при их нанесении не должна превышать 0,2 мкм. Микропроцессор современной ЭВМ, размещенный на кристалле кремния размером 6×6 мм, содержит несколько десятков или даже сотен тысяч транзисторов.

• [1] Дальнейшее изложение представлений о механизме полупроводимости основано на материалах сайта www.webknow.ru