Основи електроніки (стр. 2 )

в) - напівпровідник

Мал. 3 1- валентна зона; 2 – запірний шар; 3 – зона провідності

 

.

Для напівпровідників (мал. 3, в) запірний шар відносно невеликий (приблизно 0,5+3 еВ). Під впливом зовнішніх факторів (тепло, світло, електричне поле) електрони переходять із нормальної зони до зони провідності. Таким чином, до провідників відносять речовини, ширина запірного шару в яких не перевищує 3 еВ. Характерною особливістю напівпровідників є зменшення їх питомого опору з підвищенням температури.

Найбільше використовуються в техніці при виготовленні напівпровідників: германій, кремній, селен, а також напівпровідникові з'єднання, такі як арсенід галію, карбід кремнію, сульфід кадмію.

Мал.4

Напівпровідники мають кристалічні ґратки, тобто закономірне і упорядковане розташування атомів в просторі. Між атомами кристалічних граток існують сполучення. Вони будуються валентними електронами, які мають взаємодію не тільки з ядром свого атома, а із сусідніми атомами. В кристалах германія сполучення між двома сусідніми атомами здійснюється двома валентними електронами, від кожного атома один елекгрон (мал.4).

Такі кристалічні гратки між атомами називаються двоелектронними, або ковалентними. Кристалічні гратки мають тільки чисті, без домішок, напівпровідники при температурі, що відповідає абсолютному нулю (0 К або -273 °С). При таких умовах напівпровідники мають властивості ідеальних ізоляторів.

1.3 Власна електронна і діркова електропровідність. Струм дрейфу.

Електропровідність - властивість речовини проводити електричний струм. Принцип роботи напівпровідникових діодів і транзисторів пов'язаний з тим, що в напівпровідниках існує електропровідність двох видів. Так само, як і метали, напівпровідники мають електронну електропровідність, яка обумовлена ​​переміщенням електронів провідності. При звичайних робочих температурах в напівпровідниках завжди є електрони провідності, які дуже слабо пов'язані з ядрами атомів і здійснюють безладний тепловий рух між атомами кристалічної решітки. Ці електрони, зберігаючи безладний рух, під дією різниці потенціалів можуть почати рухатися в певному напрямку. Такий додатковий рух і є електричним струмом.

Мал.5

Напівпровідники мають також діркову електропровідність, яка не. спостерігається в металах. Вона є особливістю напівпровідників, і тому її треба розглянути більш докладно. В атомі напівпровідника під дією теплових або інших впливів один з більш віддалених від ядра валентних електронів переходить в зону провідності. Тоді атом буде мати позитивний заряд, чисельно рівний заряду електрона. Такий атом можна назвати позитивним іоном. Але треба мати на увазі, що при іонній електропровідності, наприклад в електролітах, струм являє собою рух іонів (саме слово іон означає мандрівник), а при дірковій електропровідності механізм переміщення електричних зарядів інший. В напівпровідниках кристалічна решітка досить міцна. Її іони не пересуваються, а залишаються на своїх місцях.

Мал..6

Відсутність електрона в атомі напівпровідника умовно назвали діркою. Цим підкреслюють, що в атомі не вистачає одного електрона, тобто виникло вільне місце. Дірки ведуть себе, як елементарні позитивні заряди.
Виникнення дірки показано на мал. 5 за допомогою знайомої нам площинної моделі напівпровідника. Один з електронів, що беруть участь в ковалентному зв'язку, отримавши додаткову енергію, стає електроном провідності, тобто вільним носієм заряду, і може переміщатися в кристалічній решітці. А його колишнє місце тепер вільне. Воно саме і є діркою, зображеною на малюнку світлим кружком.
При дірковій електропровідності під впливом прикладеної різниці потенціалів переміщуються дірки, що еквівалентно переміщенню позитивних зарядів. Такий процес показаний на мал. 6, на якому зображено для різних моментів часу кілька атомів, розташованих уздовж напівпровідника. Нехай в початковий момент часу (мал. 6, а) в крайньому атомі зліва (7) з'явилася дірка внаслідок того, що з атома пішов електрон. Атом з діркою (умовно заштрихований) має позитивний заряд і може притягнути до себе електрон із сусіднього атома 2. Якщо в напівпровіднику діє електричне поле (різниця потенціалів), то це поле прагне рухати електрони в напрямку від негативного потенціалу до позитивного, Тому в наступний момент (мал. 6, б) з атома 2 один електрон перейде в атом 1 і заповнить дірку, а нова дірка утворюється в атомі 2. Далі один електрон з атома 3 перейде в атом 2 і заповнить в ньому дірку. Тоді дірка виникне в атомі 3 (мал. 6, «) і т. д. Такий процес буде тривати, і дірка перейде з крайнього лівого атома в крайній правий. Інакше кажучи, спочатку утворений в атомі 1 позитивний заряд перейде в атом 6 (мал. 6, е).

Як видно, при дірковій електропровідності в дійсності теж переміщуються електрони, але більш обмежено, ніж при електронній електропровідності. Електрони переходять з даних атомів тільки в сусідні. Результатом цього є переміщення позитивних зарядів - дірок - в напрямі, протилежному руху електронів.

Можна привести таку наочну аналогію діркової електропровідності. Уявімо собі зал з рядами крісел, заповнених глядачами (у цьому прикладі глядачі грають роль електронів). Нехай один глядач з першого ряду встав і пішов, а на звільнене крісло пересів глядач з другого ряду. У свою чергу на крісло другого ряду, що стало вільним, пересів глядач з третього ряду і т. д. Коли звільнилося місце в передостанньому ряду, на нього перейшов глядач з останнього ряду. Вільне місце, аналогічно дірці, перейшло з першого ряду в останній, хоча всі крісла залишались на своїх місцях і пересідали лише глядачі двох сусідніх рядів. Сталося це тому, що пішов глядач з першого ряду, а кожен глядач прагнув зайняти місце ближче до сцени.

Електропровідність напівпровідників найбільш правильно може бути пояснена їх енергетичною структурою (мал. 7). Як ми знаємо, ширина забороненої зони у напівпровідників порівняно невелика (для германію 0,72 , а для кремнію 1,12 еВ).

Мал..7

При температурі абсолютного нуля напівпровідник, не містить домішок, і є діелектриком, в ньому немає електронів і дірок провідності. Але при підвищенні температури електропровідність напівпровідника зростає, так як електрони валентної зони отримують при нагріві додаткову енергію і за рахунок цього все більше їх число долає заборонену зону і переходять з валентної зони в зону провідності. Цей перехід показаний на рис. 1-7 суцільний стрілкою. Таким чином, з'являються електрони провідності і виникає електронна електропровідність, кожен
електрон, який перейшов в зону провідності, залишає у валентній зоні вільне місце - дірку, тобто у валентній зоні виникають дірки провідності, число яких дорівнює числу електронів, які перейшли в зону провідності. Отже, разом з електронною створюється і діркова електропровідність.

Електрони і дірки, які можуть переміщатися і тому створювати електропровідність, називають рухомими носіями заряду або просто носій заряду. Прийнято говорити, що під дією теплоти відбувається генерація пар носіїв заряду, т. е. виникають пари: електрон провідності - дірка провідності, ^ Генерація пар носіїв може відбуватися також під дією світла, електричного поля, іонізуючого випромінювання та ін..

Внаслідок того що електрони і дірки провідності здійснюють хаотичний тепловий рух, обов'язково відбувається і процес, зворотний генерації пар носіїв. Електрони провідності знову займають вільні місця в валентній зоні, т. е. об'єднуються з дірками. Таке зникнення пар носіїв називається рекомбінацією носіїв заряду. Цьому процесу відповідає показаний штриховою стрілкою на мал. 1-7 перехід електрона із зони провідності у валентну зону. Процеси генерації і рекомбінації пар носіїв завжди відбуваються одночасно.

Напівпровідник без домішок називають власним напівпровідником або напівпровідником і-типу. Він має власну електропровідність, яка, як було показано, складається з електронної і діркової електропровідності. Незважаючи на те що кількість електронів і дірок провідності у власному напівпровіднику однакова, електронна електропровідність переважає, що пояснюється більшою рухливістю електронів порівняно з рухливістю дірок.

Питома електрична провідність напівпровідників залежить від концентрації носіїв заряду, т. е. від їх числа в одиниці об'єму. Будемо позначати концентрації електронів і дірок провідності відповідно буквами п і р від слів негативний і позитивний. Очевидно, що для власного напівпровідника завжди Індекс і тут вказує, що ці концентрації відносяться до власного напівпровідника.

Якщо до напівпровідника не прикладена напруга, то електрони і дірки провідності здійснюють хаотичний тепловий рух і ніякого струму, звичайно, немає. Під дією різниці потенціалів в напівпровіднику виникає електричне поле, яке прискорює електрони і дірки і повідомляє їм деякий поступальний рух, що представляє собою струм провідності. Рух носіїв заряду під дією електричного поля інакше називають дрейфом носіїв, а струм провідності - дрейфовим струмом. Повний струм провідності складається з електронного і діркового струму провідності: