Електричний струм у напівпровідниках. Залежність опору напівпровідників від температури та освітленості. Застосування напівпровідників
Напівпровідники – речовини, які при звичайних умовах не проводять електричний струм, а при нагріванні, опроміненні, наявності домішок проводять електричний струм.
Найбільш виразно напівпровідники відрізняються від провідників характером залежності електропровідності від температури.
Питомий опір низки елементів (кремнію, германію, селену тощо) та деяких оксидів, сульфідів, телуридів з підвищенням температури не зростає, як у металів, а, навпаки, різко зменшується (рис. 4.3.10). Такі речовини назвали напівпровідниками. Як видно з графіка, при температурах, що наближаються до абсолютного нуля, питомий опір різко зростає, тобто при низьких температурах T напівпровідник веде себе як діелектрик. Зі зростанням температури питомий опір напівпровідників швидко зменшується.
Щоб зрозуміти механізм виникнення провідності напівпровідників з підвищенням температури, необхідно знати будову напівпровідникових кристалів і природу зв’язку, що утримує атоми кристала один навколо одного. Для приклада розглянемо кристал германію.
Германій – 4-хвалентний елемент. Це означає, що на зовнішній оболонці міститься 4 валентних електрони, що порівняно слабко пов’язані з ядром. Кількість найближчих сусідів кожного атома германію також дорівнює 4, тобто у кристалічній решітці кожен атом оточений чотирма найближчими сусідами. Зв'язок між атомами в кристалі германію є ковалентним, т. е. здійснюється парами валентних електронів. Кожен валентний електрон належить двом атомам. Валентні електрони в кристалі германію набагато сильніше пов'язані з атомами, чим в металах; тому концентрація електронів провідності при кімнатній температурі в напівпровідниках на багато порядків менше, ніж у металів. Поблизу абсолютного нуля температури в кристалі германію всі електрони зайняті в утворенні зв'язків. Такий кристал електричного струму не проводить.
При підвищенні температури деяка частина|частка| валентних електронів може отримати|одержувати| енергію, достатню для розриву ковалентних зв'язків. Тоді в кристалі виникнуть вільні електрони (електрони провідності). Одночасно в місцях|місце-милях| розриву зв'язків утворюються вакансії, які не зайняті|позичати| електронами. Ці вакансії отримали|одержували| назву «дірок». У дірці мається надлишковий позитивний заряд у порівнянні з іншими, нормальними зв’язками. Положення дірки у кристалі не є незмінним. Безперервно здійснюється слідуючий процес. Вакантне місце|місце-миля| може бути зайняте|позичати| валентним електроном з|із| сусідньої пари, тоді дірка переміститися на нове місце|місце-милю| в кристалі. При заданій температурі напівпровідника в одиницю часу утворюється певна кількість електронно-діркових пар.
Таким чином, у чистих напівпровідниках є носії зарядів двох типів: електрони і дірки. Тому напівпровідники мають не тільки електронною провідністю, але й дірковою. Провідність за таких умов називається власною провідністю напівпровідників.
Власна провідність – це електронно-діркова провідність чистих напівпровідників.
В той же час йде зворотний процес – при зустрічі вільного електрона з|із| діркою, відновлюється електронний зв'язок між атомами германію. Цей процес називається рекомбінацією.
Рекомбінація – процес відновлення електронного зв’язку між атомами напівпровідника.
Струм I в напівпровіднику складається з електронного In і діркового Ip струмів:
|
Концентрація електронів провідності в напівпровіднику дорівнює концентрації дірок: nn = np.
Електронно-дірковий механізм провідності виявляється тільки у чистих (т. е. без домішок) напівпровідників. Він називається власною електричною провідністю напівпровідників.
Домішкова провідність напівпровідників За наявності домішок|нечистот| электропроводимість| напівпровідників сильно змінюється. Наприклад, добавка домішок|нечистот| фосфору в кристал кремнію в кількості|у кількості| 0,001 атомного відсотка|процента| зменшує питомий опір більш ніж на п'ять порядків|лади|. Такий сильний вплив домішок|нечистот| може бути пояснене|тлумачити| на основі викладених вище за уявлення про будову|споруду| напівпровідників.
Необхідною умовою різкого зменшення питомого опору напівпровідника при введенні|вступі| домішок|нечистот| є|з'являється| відмінність|відзнака| валентності атомів домішки|нечистоти| від валентності основних атомів кристала.
Провідність напівпровідників за наявності домішок називається домішковою провідністю. Розрізняють два типи домішкової провідності – електронну і діркову провідність.
Електронна провідністьвиникає, коли в кристал германію з чотиривалентними атомами введені п'ятивалентні атоми (наприклад, атоми миш'яку, As).
На мал. показаний п'ятивалентний атом миш'яку, що опинився у вузлі кристалічної решітки германію. Чотири валентні електрони атома миш'яку включено в утворення ковалентних зв'язків з чотирма сусідніми атомами германію. П'ятий валентний електрон виявився зайвим; він легко відривається від атома миш'яку і стає вільним. Атом, що втратив електрон, перетворюється на позитивний іон, розташований у вузлі кристалічної решітки. Домішка з атомів з валентністю, що перевищує валентність основних атомів напівпровідникового кристала, називається донорською домішкою. В результаті її введення в кристалі з'являється значне число вільних електронів. Це приводить до різкого зменшення питомого опору напівпровідника – в тисячі і навіть мільйони разів. Питомий опір провідника з великим змістом домішок може наближатися до питомого опору металевого провідника.
У кристалі германію з домішкою миш'яку є електрони і дірки, відповідальні за власну провідність кристала. Але основним типом носіїв вільного заряду є електрони, що відірвалися від атомів миш'яку. У такому кристалі nn >> np. Така провідність називається електронною, а напівпровідник, що володіє електронною провідністю, називається напівпровідником n-типа.
Діркова провідністьвиникає, коли в кристал германію введені тривалентні атоми (наприклад, атоми индия, In). На мал. показаний атом индия, який створив за допомогою своїх валентних електронів ковалентні зв'язки лише з трьома сусідніми атомами германію. На утворення зв'язку з четвертим атомом германію у атома индия немає електрона. Цей бракуючий електрон може бути захоплений атомом индия з ковалентного зв'язку сусідніх атомів германію. В цьому випадку атом индия перетворюється на негативний іон, розташований у вузлі кристалічної решітки, а в ковалентному зв'язку сусідніх атомів утворюється вакансія. Домішка атомів, здатних захоплювати електрони, називається акцепторною домішкою. В результаті введення акцепторної домішки в кристалі розривається безліч ковалентних зв'язків і утворюються вакантні місця (дірки). На ці місця можуть перескакувати електрони з сусідніх ковалентних зв'язків, що приводить до хаотичного блукання дірок по кристалу.
Наявність акцепторної домішки різко знижує питомий опір напівпровідника за рахунок появи великого числа вільних дірок.
Концентрація дірок в напівпровіднику з акцепторною домішкою значно перевищує концентрацію електронів, які виникли із-за механізму власної електропровідності напівпровідника: np >> nn. Провідністьтакого типу називається дірковоюпровідністю. Домішковий напівпровідник з дірковою провідністю називається напівпровідником p-типа.Основними носіями вільного заряду в напівпровідниках p-типа є дірки.
Слід підкреслити, що діркова провідність насправді обумовлена естафетним переміщенням по вакансіях від одного атома германію до іншого електронів, які здійснюють ковалентний зв'язок.
Для напівпровідників n-| і p-типов| закон Ома виконується в певних інтервалах сил струму і напруги|напруження| за умови постійності|незмінності| концентрацій вільних носіїв.