Электроника. Характеристики сигналов и элементов электроники, страница 2

Рисунок 1. Структура атома в плоскостном изображении.

С точки зрения электропроводности наибольший интерес представляют валентные электроны, они обладают самой большой энергией по сравнению с остальными электронами атома и под действием внешних факторов (температуры, освещённости и т.д.) могут переходить на ещё более высокие энергетические уровни, соответствующие зоне проводимости I.

Рисунок 2. Энергетические зоны в твёрдом теле: I – зона проводимости; II – запрещённая зона; III – заполненная зона; W – энергия; DW – разность энергий между зонами.

Обладая энергией, соответствующей зоне проводимости, электроны становятся свободными, т.е. теряют связь с ядром атома. Направленное перемещение свободных электронов между атомами вещества называется током электронной электропроводности.

Металлы отличаются полным отсутствием запрещённой зоны; в диэлектриках величина запрещённой зоны между I и III зонами наибольшая.

Электронная и дырочная электропроводность полупроводников

Под действием внешних факторов некоторые валентные электроны атомов кристаллической решётки приобретают энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей.

Благодаря этому в кристаллической решётке появляются свободные электроны.

При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает вакансия, обладающая элементарным положительным зарядом, равным по величине заряду электрона. Этот заряд условно назван дыркой. Дырка может взаимодействовать (рекомбинировать) с электроном. В результате этого восстанавливается одна связь и разрушается соседняя.

Электропроводность полупроводников, обусловленную переходом валентных электронов в зону проводимости, называют электронной (от слова “negative” – отрицательный), или электропроводностью типа n.

Переход валентных электронов от атома к атому можно рассматривать как перемещение дырок. Направленное перемещение дырок называют дырочной электропроводностью (“positive” – положительный), или электропроводностью типа p.

Собственная электропроводность полупроводников

Собственной электропроводностью называют направленное перемещение зарядов в химически чистых полупроводниках.

Ток создается направленным перемещением свободных электронов и дырок. Собственная электропроводность отсутствует при температуре абсолютного нуля (–273 ^оС), сравнительно мала при комнатной температуре и резко увеличивается при 60-200 ^оС.

Ток в полупроводниках имеет четыре составляющие:

I_об = I_n.др + I_n.диф + I_p.др + I_p.диф ,

где I_n.др – дрейфовая составляющая электронного тока; I_n.диф – диффузионная составляющая электронного тока; I_p.др – дрейфовая составляющая дырочного тока; I_p.диф – диффузионная составляющая дырочного тока.

Дрейфовый ток обусловлен направленным движением носителей зарядов под действием внешнего электрического поля.

Диффузионный ток обусловлен направленным движением носителей зарядов без влияния внешнего поля из-за неравномерности концентрации носителей зарядов в объёме полупроводника.

Для абсолютно чистого полупроводника N_э = N_д .

Примесные полупроводники с электронной и дырочной электропроводностью

Электропроводность полупроводников, вызванную введением в химически чистый кристалл атомов других элементов, называют примесной электропроводностью.

В зависимости от характера вводимых в кристалл примесей различают примесные полупроводники с электронной электропроводностью и дырочной электропроводностью.

Для пояснения принципа получения полупроводников с электронной и дырочной электропроводностью представим модель кристаллической решётки полупроводника в плоскостном изображении.

Рисунок 3. Модель кристаллической решётки полупроводника в плоскостном изображении: a – полупроводник с электронной электропроводностью; б – полупроводник с дырочной электропроводностью.

Если в кристаллическую решётку четырёхвалентного кремния (Si) или германия (Ge) добавить в качестве примеси пятивалентный элемент − сурьму (Sb), то четыре электрона кремния будут взаимодействовать с четырьмя электронами атомов примеси, а один электрон атомов примеси остается слабосвязанным.

Под действием внешних условий этот электрон будет переходить в зону проводимости и создаст в кристалле полупроводника электронную электропроводность, или проводимость n-типа.

На месте ушедшего электрона дырка не образуется, т.к. все ковалентные связи сохранены. Атом примеси, потерявший слабосвязанный электрон, становится положительно заряженным ионом.

Таким образом, в рассмотренном полупроводнике возникает избыточный электронный заряд, который компенсирует заряды дырок собственной проводимости и положительных ионов примеси.

В полупроводниках n-типа количество свободных дырок N_д значительно меньше свободных электронов N_э, т.е. N_э >> N_д. Эти полупроводники называют полупроводниками n-типа. Примесь, отдающая электроны, называется донорной.

Если в кристалл четырехвалентного германия или кремния ввести в качестве примеси трехвалентное вещество (In), то три электрона атомов основного вещества будут взаимодействовать с тремя электронами атомов примеси, а недостающий электрон захватывается из основной структуры, а на его месте остается дырка.

Она присоединяется к дыркам собственной проводимости и увеличивает общую дырочную проводимость.

  Ион промеси становиться отрицательным.

Таким образом, в примесном полупроводнике с дырочной электропроводностью основными носителями зарядов являются электроны, концентрация которых много меньше концентрации дырок, т.е. N_э << N_д. Эти полупроводники называют полупроводниками р-типа. Примесь, принимающая электроны, называется акцепторной.