Содержание

Главная >> Электродинамика. Физика 10-11 кл. Мякишев

Глава 3. Электрический ток в различных средах

§ 3.15. Электрический ток в полупроводниках

В чем главное отличие полупроводников от проводников? Какие особенности строения полупроводников открыли им доступ во все радиоустройства, телевизоры и ЭВМ?

В § 3.1 мы отмечали, что главное отличие полупроводников от проводников состоит в характере зависимости электропроводности от температуры. Исследования показывают, что у ряда элементов (кремний, германий, селен и др.) и соединений (PbS, CdS и др.) удельное сопротивление с увеличением температуры не растет, как у металлов (см. рис. 2.14), а, наоборот, уменьшается (рис. 3.43).

Из графика, изображенного на этом рисунке, видно, что при температурах, близких к абсолютному нулю, удельное сопротивление полупроводников очень велико, т. е. при очень низких температурах полупроводник ведет себя как диэлектрик. По мере повышения температуры удельное сопротивление полупроводника быстро уменьшается. Какова же причина увеличения электропроводности полупроводника с ростом температуры?

Строение полупроводников

Чтобы понять механизм возникновения проводимости в полупроводниках, необходимо знать строение полупроводниковых кристаллов и природу связей, удерживающих атомы кристалла друг около друга. Для примера рассмотрим кристалл германия.

Нам известно, что кристаллы германия и других полупроводников имеют атомную (ковалентную) кристаллическую решетку. Плоская схема структуры кристалла германия изображена на рисунке 3.44. Четыре валентных электрона каждого атома германия связаны с такими же электронами соседних атомов химическими парноэлектронными (ковалентными) связями. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы германия друг возле друга. Такого рода связь существует между ядрами (протонами) в молекуле водорода. Она условно может быть изображена двумя линиями, соединяющими ядра (рис. 3.45).

Не надо думать, что коллективизированная пара электронов принадлежит лишь двум атомам. Каждый атом образует четыре связи с соседними, а данный валентный электрон может двигаться по любой из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла. Коллективизированные валентные электроны принадлежат всему кристаллу.

Парноэлектронные связи германия достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому германий при низкой температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение. Аналогичное строение имеет и кристалл кремния.

Собственная проводимость полупроводников

При нагревании германия энергия валентных электронов увеличивается за счет энергии тепловых колебаний атомов решетки. При этом энергия некоторых электронов (даже при нагревании до сравнительно невысоких температур) может увеличиться настолько, что связи не выдерживают и рвутся. В результате отдельные электроны покидают свои «проторенные пути» и становятся свободными, подобно электронам в металлах. Без внешнего поля эти электроны движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля они перемещаются упорядоченно между узлами кристаллической решетки, образуя электрический ток (рис. 3.46).

Проводимость полупроводников, обусловленная наличием у них свободных электронов, называется электронной проводимостью. При повышении температуры число разорванных ковалентных связей, а следовательно, и число свободных электронов в кристаллах увеличивается. Это и приводит к уменьшению удельного сопротивления (см. рис. 3.43).

Образование свободного электрона влечет за собой появление свободного (вакантного) места — электронной дырки — в нарушенной ковалентной связи. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями (см. рис. 3.46).

Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь, а там, откуда перескочил электрон, образуется новая дырка. Эту дырку может занять какой-либо другой электрон. Таким образом, благодаря перемещению электронов связи происходит перемещение дырок по всему кристаллу.

Характер движения дырки в кристалле можно уяснить из следующей аналогии. Пусть один из солдат вышел из шеренги. При этом образовалась «вакансия». Если все стоящие справа солдаты будут последовательно перемещаться на освободившееся место, то все будет происходить так, как будто свободное место передвигается в сторону, противоположную перемещению солдат.

При отсутствии внешнего поля перемещение дырок, равноценное перемещению зарядов, происходит хаотически и поэтому не создает электрического тока. Под действием внешнего электрического поля происходит упорядоченное перемещение дырок в направлении линий напряженности поля, т. е. в направлении, противоположном перемещению электронов связи. Рассмотренный процесс называется дырочной проводимостью.

Таким образом, в чистых (без примесей) полупроводниках возможна электронная проводимость, обусловленная движением свободных электронов (проводимость n-типа¹), и дырочная, обусловленная движением дырок (проводимость р-типа²).

1 От лат. negativus — отрицательный.
2 От лат. positivus — положительный.

Такого рода проводимость называют собственной проводимостью полупроводников.

При нарушении ковалентных связей в кристалле одновременно в одинаковом количестве возникают свободные электроны и дырки. В результате теплового движения, с одной стороны, происходит образование пар электрон—дырка, а с другой — их частичное воссоединение (рекомбинация). При данной температуре в единице объема кристалла число пар в среднем остается постоянным.

Проводимость чистых полупроводников (собственная проводимость) осуществляется перемещением свободных электронов (электронная проводимость) и перемещением связанных электронов на вакантные места парноэлектронных связей (дырочная проводимость).