Собственная и примесная проводимость полупроводников

Кроме диэлектриков и проводников имеется класс веществ, у которых электропроводность существенно зависит от температуры, называемые полупроводниками. .К полупроводникам относятся некоторые элементы IV, V и VI групп Периодической системы элементов Менделеева (например, Si, Ge, As, Se, Te) и ряд химических природных и синтезированных соединений. По электрическим свойствам полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Например, удельное сопротивление у металлов — _мет10^-8-10^-6 Омм, диэлектриков — _диэл10⁸-10¹³ Омм, полупроводников — 10^-5-10⁸ Омм.

Рис. 3.6. Собственная проводимость германия.

Различают собственные и примесные полупроводники.

К собственным полупроводникам относятся химически чистые вещества Ge, Se, а также многие соединения: JnSb, GaAs и др. Их проводимость называется собственной. Рассмотрим кристалл германия. Каждый атом в кристаллической решетке Ge связан четырьмя двухэлектронными ковалентными связями с соседними атомами (рис. 3.6). Черными кружочками обозначены валентные электроны. При 0 К кристалл германия является диэлектриком, т.к. в нем нет свободных носителей заряда. При повышении температуры тепловые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей и электроны, покинувшие свое место, становятся свободными. Это вакантное место, обладающее избыточным положительным зарядом, называется дыркой, которая может быть занята каким-либо другим свободным электроном. Движение электронов и дырок по кристаллу в отсутствие электрического поля является хаотическим. Под действием электрического поля в кристалле начинается направленное перемещение электронов против поля и дырок по полю, то есть в кристалле появляется электрический ток. Таким образом, проводимость в чистых полупроводниках осуществляется двумя типами зарядов — электронами и дырками, ее называют собственной проводимостью, ее величина зависит от температуры.

Проводимость полупроводника, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники — примесными полупроводниками.

Рис. 3.7. Образование примесной электронной проводимости на примере германия с примесью мышьяка

Рассмотрим кристалл Ge с небольшой добавкой мышьяка As (порядка 0.001%), рис. 3.7. Атом As как элемент пятой группы имеет пять валентных электронов. При кристаллизации такого расплава, для образования связей с четырьмя соседними атомами Ge, атому As требуется 4 электрона. Поэтому пятый его электрон оказывается слабо связанным и легко отщепляется при тепловых колебаниях решетки. На атоме As появляется избыточный положительный заряд, который связан с атомом и не способен перемещаться по решетке. В отсутствии электрического поля движение освободившихся электронов беспорядочное, в присутствии поля — движение их направлено против поля. Следовательно, появляется электрический ток. Примеси, вызывающие появление электронов проводимости, называются донорными, проводимость — электронной, а данный примесный полупроводник — полупроводник n-типа.

Если в кристалл Ge ввести небольшое количество атомов трехвалентного бора B, то для образования четырех валентных связей в решетке Ge (рис. 3.8) атому бора не будет хватать одного электрона. Недостающий четвертый электрон может быть захвачен у соседнего атома Ge, у которого, в результате этого, образуется положительная дырка. Присоединив электрон, атом бора превращается в отрицательный ион, не способный к перемещению. Дырки, напротив, не остаются неподвижными. Захватывая электроны соседних атомов Ge, они перемещаются по кристаллу. В электрическом поле они движутся в направлении поля. Примеси, вызывающие появление дырок, называются акцепторными, проводимость называется дырочной, а сам примесный полупроводник — полупроводником р-типа.