Электрический ток в полупроводниках

Зависимость сопротивления от температуры

Полупроводники отличаются от металлов тем, что при понижении температуры удельное сопротивление последних уменьшается, как показано на рисунке 1.12.4. Полупроводники ведут себя иначе. Их сопротивление заметно возрастает, что приводит к образованию изоляторов.

Рисунок 1.12.4. Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: а – нормальный металл; b — суперлидер.

Приведенная выше зависимость ρ(T) указывает на наличие в проводниках концентрации свободных носителей заряда, которая увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока нельзя объяснить, используя только модель свободного электронного газа.

Пример 1

Рассмотрим пример германия (Ge). Работа механизма в кристалле кремния (Si) такая же. Внешние оболочки атомов германия имеют 4 слабо выраженных электрона. Их называют валентинками. Каждый атом в кристаллической решетке окружен четырьмя соседями. Атомы связаны посредством ковалентной связи, т е парами валентных электронов. Валентный электрон соответствует двум атомам.

Связь с валентными электронами в атоме германия больше, чем в обычных металлах. Отсюда и наличие пониженной концентрации электронов проводимости при комнатной температуре. Образование электронных связей германия происходит при температуре, близкой к абсолютному нулю. Этот кристалл не является проводником.

Виды и свойства полупроводников

Все полупроводники можно разделить на несколько основных типов. Среди них чистые или отдельные материалы на основе свинца, где отсутствуют примеси.

Для них характерна кристаллическая структура, в которой атомы расположены в узлах в периодическом порядке. Здесь имеется устойчивая взаимная связь каждого атома с четырьмя соседними атомами. Это позволяет формировать постоянные электронные оболочки, включающие восемь электронов.

При температуре равной абсолютному нулю такой полупроводник становится диэлектриком, так как все электроны связаны ковалентными связями. При повышении температуры или облучении электроны могут разрывать ковалентные связи и становиться свободными носителями заряда.

Свободные места при движении постепенно занимают другие электроны, поэтому электрический ток течет только в одном направлении.

Примесная проводимость полупроводников

Проводимость полупроводников увеличивается при введении примесей, когда наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная примесная проводимость.

Примесная проводимость

Примесными центрами могут быть:

1 атомы или ионы химических элементов, встроенные в полупроводниковую решетку;

2 избыточные атомы или ионы, внедренные в междоузлия решетки;

3 различные другие дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, трещины, смещения, возникающие при деформациях кристалла и т д.

Изменяя концентрацию примесей, можно значительно увеличить количество носителей заряда того или иного знака и создать полупроводники с преобладающей концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.

Донорная примесь

• От латинского «donare» — дарить, дарить.

Рассмотрим механизм электропроводности полупроводника с донорной пятивалентной примесью мышьяка As, введенной в кристалл, например кремний. Пятивалентный атом мышьяка отдает четыре валентных электрона на образование ковалентных связей, причем пятый электрон в этих связях вакантен (рис. 8).

Энергия высвобождения (энергия ионизации) пятого валентного электрона мышьяка в кремнии составляет 0,05 эВ = 0,08⋅10-19 Дж, что в 20 раз меньше энергии отрыва электрона от атома кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка теряют один из своих электронов и становятся положительными ионами.

Положительные ионы мышьяка не могут захватить электроны соседних атомов, так как все четыре их связи уже снабжены электронами. В этом случае отсутствует движение электронной вакансии — «дырки» и проводимость дырки очень мала, т.е практически отсутствует.

Донорские примеси  — Это примеси, которые легко отдают электроны и, следовательно, увеличивают количество свободных электронов. В присутствии электрического поля в полупроводниковом кристалле приходят в упорядоченное движение свободные электроны, в нем возникает электронная примесная проводимость.

В результате мы получаем полупроводник с преимущественно электронной проводимостью, называемый полупроводником n-типа. (от латинского negativus — отрицательный).

Поскольку число электронов в полупроводнике n-типа намного больше числа дырок, электроны являются большинством носителей заряда, а дырки — меньшими.

Акцепторная примесь

• От латинского «acceptor» — получатель.

В случае акцепторной примеси, например трехвалентного индия In, атом примеси может отдать три своих электрона на ковалентную связь только с тремя соседними атомами кремния, а один электрон «недостает» (рис. 9). Эту связь может заполнить один из электронов соседних атомов кремния, тогда атом In станет неподвижным отрицательным ионом, а на месте электрона, покинувшего один из атомов кремния, образуется дырка.

Акцепторные примеси, которые захватывают электроны и тем самым создают подвижные дырки, не увеличивают число электронов проводимости. Большинство носителей заряда в полупроводнике с акцепторной примесью — дырки, а неосновные — электроны.

Акцепторные примеси являются примесями, которые придают дырке проводимость.

Полупроводники, в которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называются полупроводниками р-типа (от лат positivus — положительный.).

Следует отметить, что введение примесей в полупроводники, как и во все металлы, нарушает структуру кристаллической решетки и затрудняет движение электронов. Однако сопротивление не увеличивается, поскольку увеличение концентрации носителей заряда значительно снижает сопротивление.

Так, введение примеси бора в количестве 1 атом на сто тысяч атомов кремния снижает удельное электрическое сопротивление кремния примерно в тысячу раз, а смесь одного атома индия на 108-109 атомов германия снижает удельное электрическое сопротивление германия миллионы раз.

Если в полупроводник вводятся одновременно и донорная, и акцепторная примеси, то характер проводимости полупроводника (n- или p-тип) определяется примесью с более высокой концентрацией носителей заряда.

Факторы, влияющие на сопротивление полупроводников

Опытным путем установлено, что с повышением температуры в полупроводниковых кристаллах происходит уменьшение электрического сопротивления. Это связано с тем, что при нагреве кристалла увеличивается количество свободных электронов, соответственно увеличивается их концентрация. Изменение сопротивления полупроводников под действием температуры используется для изготовления специальных устройств, называемых термисторами.

Для изготовления термистора используются полупроводники, представляющие собой оксиды отдельных металлов в смешанном состоянии. Готовое полотно помещают в защитный металлический корпус с изолированными проводами. С их помощью устройство подключается к электрической цепи.

Термисторы служат для измерения температуры или поддержания ее в заданном режиме во всех устройствах. Основной принцип их работы – изменение сопротивления при изменении температуры. Тот же принцип используется в фоторезисторах. Здесь значение сопротивления меняется в зависимости от уровня освещенности.

Зависимость сопротивления проводника от температуры

Практически в электротехнике установлено, что с повышением температуры сопротивление металлических проводников увеличивается, а с понижением температуры уменьшается. Для всех металлических проводников это изменение сопротивления почти одинаково и составляет в среднем 0,4% на 1°С.

Если быть точным, то на самом деле при изменении температуры проводника меняется удельное сопротивление, которое имеет следующую зависимость:

где ρ и ρ0, R и R0 — соответственно удельное сопротивление и сопротивление проводника при температурах t и 0°С (по шкале Цельсия), α — температурный коэффициент сопротивления, α = град-1.

Изменение удельного сопротивления проводника приводит к изменению самого сопротивления, что видно из следующего выражения:

Зная электронную теорию строения вещества, можно дать следующее объяснение возрастанию сопротивления металлических проводников с повышением температуры. С повышением температуры проводник получает тепловую энергию, которая, несомненно, передается всем атомам вещества, в результате чего увеличивается их тепловое движение.

Повышенное тепловое движение атомов создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов (возрастает вероятность столкновения свободных электронов с атомами), а это увеличивает сопротивление проводника.

С понижением температуры облегчается направленное движение электронов (уменьшается возможность столкновения свободных электронов с атомами), уменьшается сопротивление проводника. Этим объясняется интересное явление — сверхпроводимость металлов. Сверхпроводимость, то есть уменьшение сопротивления металлов до нуля, возникает при чрезвычайно отрицательной температуре -273 °C, называемой абсолютным нулем.

При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы застывают на месте, совершенно не препятствуя движению электронов.

График зависимости сопротивления металлического проводника от температуры показан на рисунке 1.

Рис. 1. График зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры

Надо сказать, что сопротивление электролитов и полупроводников (уголь, селен и др.) уменьшается с повышением температуры.

Температурная зависимость сопротивления электролита также в основном объясняется изменением удельного сопротивления, но температурный коэффициент сопротивления всегда α<0.

Поэтому кривая зависимости сопротивления электролита от температуры имеет вид, показанный на рис. 2.

Рис. 1. График зависимости удельного сопротивления электролита от температуры

Для полупроводников изменение удельного сопротивления с температурой будет таким же, как и для электролитов.

Какие вещества относят к полупроводникам

Если температура повышается, некоторые из валентных электронов получают достаточную энергию, чтобы разорвать ковалентную связь. После этого в кристалле появляются свободные электроны (электроны проводимости).

Места разрыва связей характеризуются образованием вакансий, где нет электронов. Эти вакансии называются пробелами.

Вакансия может быть передана валентному электрону соседней пары, тогда дырка будет циклически перемещаться по кристаллу. Указанная температура полупроводника за 1 раз образует определенное количество электронно-дырочных пар.

Существует и обратный процесс, заключающийся в восстановлении электронной связи между атомами германия при встрече со свободным электроном-дыркой. Это называется рекомбинацией.

Появление электронно-дырочных пар связано с засветкой полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В его отсутствие электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

Движение полупроводника в электрическом поле заставляет электроны и дырки двигаться упорядоченно, ведя себя как положительно заряженные частицы. Отсюда вывод: ток I в полупроводнике записывается как сумма электронного In и дырочного Ip:

I=In+Ip.

Концентрация электронов проводимости в полупроводниках равна концентрации дырок nn=np.

Электронно-дырочный переход

Электрон-дырочный переход (сокращенно pn-переход) происходит в полупроводниковом кристалле, который одновременно имеет области n-типа (с донорными примесями) и p-типа (с акцепторными примесями) проводимости на границе между этими областями.

Допустим, у нас есть кристалл, где слева находится полупроводниковая область с дырочной (p-типа), а справа — с электронной (n-типа) проводимостью (рис. 10). Из-за теплового движения при формировании контакта электроны из полупроводника n-типа будут диффундировать в область p-типа.

В этом случае в области n-типа останется нескомпенсированный положительный ион-донор. После перехода в область дырочной проводимости электрон очень быстро рекомбинирует с дыркой, и в р-области образуется нескомпенсированный акцепторный ион.

Как и электроны, дырки диффундируют из p-области в электронную область, оставляя в дырочной области нескомпенсированный отрицательно заряженный акцепторный ион. Попадая в электронную область, дырка рекомбинирует с электроном. В результате в электронной области образуется нескомпенсированный положительный ион-донор.

В результате диффузии на границе этих областей образуется двойной электрический слой противоположно заряженных ионов толщиной l не превышающих долей микрометра.

Между слоями ионов возникает электрическое поле напряженностью Ei. Электрическое поле электронно-дырочного перехода (pn-перехода) препятствует дальнейшему переносу электронов и дырок через границу раздела двух полупроводников. Блокирующий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с остальными объемами полупроводников.

Внешнее электрическое поле напряженностью E влияет на сопротивление блокирующего электрического поля.

Если n-полупроводник соединить с отрицательным полюсом истока, а плюс истока соединить с p-полупроводником, то электроны в n-полупроводнике и дырки в электрическом поле под действием электрического поля p-полупроводники будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников.

Электроны, пересекая границу, «заполняют» дырки. При таком прямом направлении внешнего электрического поля толщина барьерного слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются. В этом направлении электрический ток протекает через p-n-переход.

Рассматриваемое направление p-n перехода называется прямым. Зависимость тока от напряжения, т.е.
вольт-амперные характеристики
прямой переход как целая линия.

Если n-полупроводник подключить к положительному полюсу источника, а p-полупроводник — к отрицательному, то электроны в n-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике будут двигаться от границы раздела в противоположных направлениях под действием влияние электрического поля. Это приводит к утолщению барьерного слоя и увеличению сопротивления.

Направление внешнего электрического поля, расширяющего барьерный слой, называется барьером (задний ход). При таком направлении внешнего поля электрический ток основных носителей заряда не проходит через контакт двух p- и p-полупроводников.

Ток через p-n переход теперь обусловлен электронами, которые находятся в полупроводнике p-типа, и дырками из полупроводника n-типа. Но неосновных носителей заряда очень мало, поэтому проводимость перехода оказывается ничтожной, а сопротивление велико. Рассматриваемое направление p-n перехода называется обратным, его вольтамперная характеристика показана на рис. 12 пунктирная линия.

Обратите внимание, что текущая шкала измерения для прямого и обратного переходов отличается в тысячу раз.

Обратите внимание, что при определенном напряжении, приложенном в противоположном направлении, происходит пробой  (т.е разрушение) pn перехода.

Полупроводник n -типа

Определение 3

Проявление электронно-дырочной проводимости присуще чистым полупроводникам. Их называют собственной электропроводностью полупроводников.

Если есть примеси, его меняют.

Пример 2

При добавлении в кристалл кремния примеси в виде фосфора в количестве 0,001 % удельное сопротивление уменьшается более чем на 5 порядков. Это влияние примесей объясняется изложенным выше представлением о строении полупроводников.

Определение 4

Необходимым условием сильного снижения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности примесных атомов от валентности основных атомов в кристалле.

Если проводники имеют примеси, такая проводимость называется примесями. Бывают двух типов: электронные и дырочные. Первый возникает при введении атомов пятивалентного мышьяка в атомы четырехвалентного германия.

Атом, потерявший электрон, становится положительным ионом, находящимся в узле решетки.

Читайте также: Заземление лотков ПУЭ: Как заземлять кабельные лотки

Полупроводник p -типа

Определение 5

Если примесь имеет валентность, превышающую валентность основных атомов в полупроводниковом кристалле, ее называют донором.

Когда в кристалл вводится примесь, она провоцирует появление большого количества свободных электронов. Затем происходит резкое уменьшение удельного сопротивления полупроводника в разы. После этого оно стремится по величине к удельному сопротивлению металлического проводника.

В кристалле германия, легированном мышьяком, есть электроны и дырки, которые отвечают за присущую кристаллу проводимость. Основным типом свободных носителей заряда считаются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. Тогда такой кристалл имеет nn≫np. Такая проводимость называется электронной, а такой полупроводник с электронной проводимостью является полупроводником n-типа.

Влияние примесей

Появление дырочной проводимости связано с внедрением атомов трехвалентного индия в кристалл германия. На рис. 1.13.4 показан атом индия, который создает ковалентные связи с валентными электронами с помощью трех соседних атомов германия. Индию не хватает электрона для образования связи с четвертым атомом германия.

Именно он захватывается атомом индия из ковалентной связи с соседними атомами германия. Тогда получаем, что атом индия становится отрицательным ионом, находящимся в узле кристаллической решетки. Следовательно, ковалентная связь с соседними атомами образует вакансию.

Определение 6

Примесь атомов, захватившая электроны, называется акцепторной примесью.

При его наличии в кристалле разрываются многие ковалентные связи, а на их месте образуются вакансии, то есть дырки. Электроны движутся к нему от близлежащих ковалентных связей, вызывая беспорядочную миграцию дырок вокруг кристалла.

Определение 7

Акцепторная примесь может значительно снизить удельное сопротивление за счет появления дырок. Их концентрация в такой примеси намного превышает число электронов, появившихся за счет собственной электропроводности полупроводника np≫nn. Она получила название отверстия. Проводник с примесью и наличием дырочной проводимости является полупроводником р-типа.

Основными свободными носителями заряда в таких полупроводниках являются дырки. Дырочная проводимость вызвана эстафетным движением через вакансии от атома германия к другому электрону, осуществляющему ковалентную связь.

Полупроводники n- и p-типа подвержены действию закона Ома в областях тока и напряжения с условием концентрации свободных носителей.