Что такое дырка в полупроводнике простыми словами
Электроны и «дырки»
Чистые полупроводники являются относительно хорошими диэлектриками по сравнению с металлами, хотя и не настолько хорошими, как настоящий диэлектрик, например, стекло. Чтобы быть полезным в полупроводниковых применениях, собственный полупроводник (чистый нелегированный полупроводник) должен иметь не более одного атома примеси на 10 миллиардов атомов полупроводника. Это аналогично крупинке соли в железнодорожном вагоне сахара. Нечистые, или грязные полупроводники являются значительно более проводящими, хотя и такими хорошими, как металлы. Почему так происходит? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны рассмотреть электронную структуру этих материалов на рисунке ниже.
Рисунок ниже (a) показывает 4 электрона в валентной оболочке полупроводника, образующих ковалентные связи с четырьмя другими атомами. Это плоская, более простая для рисования, версия рисунка, приведенного ранее. Все электроны атома связаны в четырех ковалентных связях, в парах общих электронов. Электроны не могут свободно перемещаться по кристаллической решетке. Таким образом, собственные, чистые, полупроводники являются относительно хорошими диэлектриками по сравнению с металлами.
(a) Собственный полупроводник является диэлектриком, имеющим полную электронную оболочку.
(b) Тем не менее, тепловая энергия может создать несколько пар электрон-дырка, что в результате даст слабую проводимость.
Тепловая энергия иногда может освобождать электрон из кристаллической решетки, как показано на рисунке выше (b). Этому электрону становится доступно передвижение по кристаллической решетке. Когда электрон освобождается, он оставляет в кристаллической решетке пустое место с положительным зарядом, известное как дырка. Эта дырка не прикреплена к решетке и может свободно по ней перемещаться. Свободные электрон и дырка вносят свой вклад в движение электронов по кристаллической решетке. То есть, электрон свободен, пока он не попадает в дырку. Это явление называется рекомбинацией. При воздействии на полупроводник внешним электрическим полем электроны и дырки разводятся в противоположных направлениях. Увеличение температуры увеличит и количество электронов и дырок, что в свою очередь уменьшит сопротивление. Это противоположно поведению металлов, у которых сопротивление увеличивается с ростом температуры за счет увеличения столкновений электронов с кристаллической решеткой. Количество электронов и дырок в собственном полупроводнике одинаково. Тем не менее, оба носителя при воздействии внешнего поля необязательно будут двигаться с одинаковой скоростью. Другими словами, подвижность у электронов и дырок неодинакова.
Чистые полупроводники, сами по себе, не особенно полезны. Хотя полупроводники и должны быть в большой степени очищены от примесей для создания отправной точки перед добавлением определенных примесей.
В материал полупроводника, с долей содержания примесей 1 к 10 миллиардам, для увеличения количества носителей могут добавляться определенные примеси в соотношении примерно 1 часть на 10 миллионов. Добавление в полупроводник необходимой примеси известно, как легирование. Легирование увеличивает проводимость полупроводника, и, таким образом, он становится более сопоставим с металлом, а не с диэлектриком.
Можно увеличить количество отрицательно заряженных носителей в кристаллической решетке полупроводника путем легирования таким электронным донором, как фосфор. Электронные доноры, также известные, как примеси N-типа, включают в себя элементы группы VA (группы 15 по IUPAC) периодической таблицы: азот, фосфор, мышьяк и сурьма. Азот и фосфор являются примесью N-типа для алмаза. Фосфор, мышьяк и сурьма используются совместно с кремнием.
Кристаллическая решетка на рисунке ниже (b) содержит атомы, содержащие четыре электрона во внешней оболочке, формирующих ковалентные связи с соседними атомами. Эта кристаллическая решетка ожидаема. Добавление атома фосфора с пятью электронами во внешней оболочке вводит в решетку дополнительный электрон по сравнению с атомом кремния. Пятивалентная примесь образует четыре ковалентные связи с четырьмя атомами кремния с помощью четырех из пяти электронов, встраиваясь в решетку с одним электроном в запасе. Обратите внимание, что этот лишний электрон не сильно привязан к решетке, как электроны обычных атомов Si. Будучи не привязанным к узлу фосфора в кристаллической решетке, он свободен для перемещения по ней. Так как мы легировали одну часть фосфора на 10 миллионов атомов кремния, то по сравнению с многочисленными атомами кремния было создано лишь несколько свободных электронов. Тем не менее, по сравнению с немногочисленными парами электрон-дырка в собственном полупроводнике, в этом случае было создано достаточно много электронов.
(a) Конфигурация электронов внешней оболочки донора N-типа фосфора, кремния (для сравнения) и акцептора P-типа бора.
(b) Примесь донора N-типа создает свободный электрон.
(c) Примесь акцептора P-типа создает дырку, положительно заряженный носитель.
Кроме того, можно вводить примеси, у которых, по сравнению с кремнием, не хватает электрона, то есть, которые имеют три электрона в валентной оболочке, по сравнению с кремнием с четырьмя валентными электронами. На рисунке выше (c) они оставляют пустое место, известное как дырка, положительно заряженный носитель. Атом бора пытается связаться с четырьмя атомами кремния, но в валентной зоне имеет только три электрона. В попытке сформировать четыре ковалентные связи три его электрона двигаются вокруг, пытаясь образовать четыре связи. Это заставляет двигаться появляющуюся дырку. Кроме того, трехвалентный атом может занимать электрон от соседнего (или более отдаленного) атома кремния, чтобы сформировать четыре ковалентные связи. Однако это оставляет атом кремния с нехваткой одного электрона. Другими словами, дырка перемещается к соседнему (или более отдаленному) атому кремния. Дырки располагаются в валентной зоне, уровнем ниже зоны проводимости. Легирование электронным акцептором, атомом, который может принять электрон, создает дефицит электронов и избыток дырок. Так как дырки являются носителями положительного заряда, примесь электронного акцептора также известна, как примесь P-типа. Легирующая примесь P-типа оставляет полупроводник с избытком дырок, носителей положительного заряда. Элементы P-типа из группы IIIA (группы 13 по IUPAC) периодической таблицы включают в себя: бор, алюминий, галлий и индий. Бор используется в качестве легирующей примеси P-типа для полупроводников кремний и алмаз, в то время как индий используется с германием.
Подобно «шарику в трубе» передвижение электронов (рисунок ниже) зависит от движения дырок и движения электронов. Шарик представляет собой электроны в проводнике, в трубе. Движение электронов слева направо в проводнике или полупроводнике N-типа объясняется входом электрона в трубу слева, заставляя выйти электрон справа. Передвижение электронов в полупроводнике N-типа происходит в зоне проводимости. Сравните это с движением дырок в валентной зоне.
Аналогия с шариком в трубе:
(a) Электроны двигаются вправо в зоне проводимости.
(b) Дырки двигаются вправо в валентной зоне, в то время как электроны двигаются влево.
Чтобы дырка вошла в левой части рисунка выше (b), электрон должен быть удален. При перемещении дырки слева направо электрон должен двигаться справа налево. Первый электрон выбрасывается из левого конца трубы, чтобы дырка могла двигаться вправо в трубу. Электрон двигается в направлении, противоположном движению положительных дырок. Чтобы дырка двигалась дальше вправо, электроны должны перемещаться влево, заполняя дырку. Дырка – это отсутствие электрона в валентной зоне за счет легирования P-типа. Она имеет локальный положительный заряд. Чтобы переместить дырку в заданном направлении, валентные электроны двигаются в противоположном направлении.
Поток электронов в полупроводнике N-типа аналогичен движению электронов в металлическом проводе. Атомы примеси N-типа дадут электроны, доступные для передвижения. Эти электроны из-за легирующей примеси известны, как основные носители, так как они находятся в большинстве, по сравнению с немногочисленными тепловыми дырками. Если к пластине полупроводника N-типа приложить электрическое поле (рисунок ниже (a)), электроны перейдут в отрицательный (левый) конец пластины, пройдут кристаллическую решетку и выйдут справа к клемме (+) батареи.
(a) Полупроводник N-типа с электронами, перемещающимися через кристаллическую решетку слева направо.
(b) Полупроводник P-типа с дырками, перемещающимися слева направо, что соответствует движению электронов в противоположном направлении.
Объяснить протекание тока в полупроводнике P-типа немного сложнее. Примесь P-типа, акцептор электронов, придает локальным областям положительный заряд, известный как дырки. Эти дырки и являются основными носителями в полупроводнике P-типа. Хотя дырки и образуются в местах трехвалентных атомов примеси, они могут перемещаться по пластине полупроводника. Обратите внимание, что включение батареи на рисунке выше (b) противоположно включению на рисунке (a). Положительный вывод батареи подключен к левому концу пластины P-типа. Поток электронов выходит из отрицательного вывода батареи и через пластину P-типа возвращается к положительному выводу батареи. Электрон покидает положительный (левый) конец пластины полупроводника, чтобы положительный вывод батареи оставил дырку в полупроводнике, которая может двигаться вправо. Дырки проходят через кристаллическую решетку слева направо. В отрицательном конце пластины электрон из батареи соединяется с дыркой, нейтрализуя её. Это дает возможность другой дырке в положительном конце пластины двигаться вправо. Имейте в виду, что когда дырки перемещаются слева направо, это на самом деле электроны двигаются в противоположном направлении, что и делает видимым движение дырок.
Элементы, используемые для производства полупроводников, приведены на рисунке ниже. Полупроводниковый материал германий из группы IVA (14 по IUPAC) сейчас используется довольно ограничено. Полупроводники на основе кремния составляют около 90% всего промышленного производства полупроводников. Полупроводники на основе алмаза сейчас широко исследуются и обладают значительным потенциалом. Составные полупроводники включают в себя кремний-германий (тонкие слои на пластинах Si), карбид кремния и соединения групп III-V, например, арсенид галлия. Полупроводниковые соединения групп III-VI включают в себя AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, AlxGa1-xAs и InxGa1-xAs. Столбцы II и VI периодической таблицы, не показанные на рисунке, также формируют составные полупроводники.
Группа IIIA – примеси P-типа, группа IV – основные полупроводниковые материалы, и группа VA – примеси N-типа.
Основной причиной включения групп IIIA и VA на рисунок выше является возможность показать примеси, используемые с группой полупроводников IVA. Элементы группы IIIA являются акцепторами, примесями P-типа, которые принимают электроны, оставляя дырки (положительные носители) в кристаллической решетке. Бор является примесью P-типа для алмаза и самой распространенной примесью для кремниевых полупроводников. Индий является примесью P-типа для германия.
Элементы группы VA являются донорами, примесями N-типа, дающими свободный электрон. Азот и фосфор подходят в качестве примеси N-типа для алмаза. Фосфор и мышьяк являются наиболее используемыми примесями N-типа для кремния, хотя может использоваться и сурьма.
Итоги
Собственные полупроводники, максимальная доля примеси в которых составляет 1 на 10 миллиардов, являются плохими проводниками.
Полупроводник N-типа легируется пятивалентной примесью, чтобы создать свободные электроны. Такой материал является проводящим. Электрон в нем является основным носителем.
Полупроводник P-типа, легированный трехвалентной примесью, имеет множество свободных дырок. Это носители положительного заряда. Материал P-типа является проводящим. Дырки в нем являются основными носителями.
Большинство полупроводников основаны на элементах из группы IVA периодической таблицы. Причем кремний является наиболее распространенным, германий устарел, а углерод (алмаз) в настоящее время исследуется.
Широко используются и составные полупроводники, такие как карбид кремния (группа IVA) и арсенид галлия (группа III-V).
Дырка (носитель заряда)
Понятие дырки вводится в зонной теории для описания электронных явлений в неполностью заполненной электронами валентной зоне. В электронном спектре валентной зоны часто возникает несколько зон, различающихся величиной эффективной массы и энергетическим положением (зоны легких и тяжёлых дырок, зона спин-орбитально отщепленных дырок).
Для создания дырок в полупроводниках используется легирование кристаллов акцепторными примесями. Кроме того, дырки могут возникать и в результате внешних воздействий: теплового возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости, освещения светом.
В случае кулоновского взаимодействия дырки с электроном из зоны проводимости образуется связанное состояние, называемое экситоном.
Смотреть что такое «Дырка (носитель заряда)» в других словарях:
Носитель заряда — Носители заряда общее название подвижных частиц или квазичастиц, которые несут электрический заряд и способны обеспечивать протекание электрического тока. Примерами подвижных частиц являются электроны, ионы. Примером квазичастицы носителя заряда… … Википедия
ДЫРКА — в физике квантовое состояние, не занятое электроном. Термин дырка широко применяется в зонной теории твердого тела, как вакантное состояние в разрешенной заполненной зоне. Дырка положительно заряженный носитель заряда в полупроводнике … Большой Энциклопедический словарь
дырка — и; мн. род. рок, дат. ркам; ж. 1. = Дыра (1 2 зн.). Дырки в стенах. В заднем зубе д. Заштопать дырку. На чулке огромная д. 2. Сквозное отверстие для крепления чего л. Дырки в ремне. Д. для шурупа. Просверлить, проткнуть дырку. 3. Разг. О пулевом … Энциклопедический словарь
Дырка — У этого термина существуют и другие значения, см. Дырка (значения). Необходимо проверить качество перевода и привести статью в соответствие со стилистическими правилами Википедии. Вы можете помочь … Википедия
ГОСТ 22622-77: Материалы полупроводниковые. Термины и определения основных электрофизических параметров — Терминология ГОСТ 22622 77: Материалы полупроводниковые. Термины и определения основных электрофизических параметров оригинал документа: 11. Акцептор Дефект решетки, способный при возбуждении захватывать электрон из валентной зоны Определения… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Сильное легирование — наблюдается при больших концентрациях примесей. Их взаимодействие ведёт к качественным изменениям свойств полупроводников. Это можно наблюдать в сильно легированных проводниках, содержащих примеси в столь больших концентрациях Nпр, что среднее… … Википедия
Полупроводники — широкий класс веществ, характеризующихся значениями электропроводности σ, промежуточными между электропроводностью металлов (См. Металлы) (σ Полупроводники 106 104 ом 1 см 1) и хороших диэлектриков (См. Диэлектрики) (σ ≤ 10 10 10 12 ом… … Большая советская энциклопедия
ПОЛУПРОВОДНИКИ — широкий класс в в, характеризующийся значениями уд. электропроводности s, промежуточными между уд. электропроводностью металлов s=106 104 Ом 1 см 1 и хороших диэлектриков s=10 10 10 12 Ом 1см 1 (электропроводность указана при комнатной темп ре).… … Физическая энциклопедия
полупроводники — ов; мн. (ед. полупроводник, а; м.). Физ. Вещества, которые по электропроводности занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. Свойства полупроводников. Производство полупроводников. // Электрические приборы и устройства,… … Энциклопедический словарь
Проводники, полупроводники
Проводник.
Проводники – имеют свободные носители зарядов, участвующие в тепловом движении, перемещаясь по всему телу вещества. Простым языком те вещества, которые хорошо проводят через себя электричество, и передают его от одного заряженного тела, к другому.
Примерами проводников являются металлы, вода, земля, тело человека. Некоторые не металлы, к примеру, углерод – составляющий уголь и графит. Разнообразные растворы кислот и солей.
Различные проводники по-своему проводят электрический ток: один лучше, другой хуже.
Драгоценные металлы – отличные проводники, но их цена даёт возможность применять их только там, где их применение оправдывает себя по себестоимости.
Другие проводники имеют большое сопротивление и в обычных схемах не используются, но их свойства применяют в тех же лампах накаливания. Пример: молибден и вольфрам.
Полупроводник.
Полупроводники – это вещества сочетающие свойства проводников и не проводников.
Полупроводник в нормальном состоянии пропускает определённое количество тока, либо вообще не пропускает. Но при изменении их температуры, начинает очень хорошо пропускать заряды.
Играя на этих свойствах: повышая или понижая температуру, можно делать так, чтобы полупроводник либо пропускал ток
К таким материалам относятся: кремний, германий, селен, смеси различных химических веществ.
Полупроводники нашли широкое применение в электронике. Их используют при изготовлении радиодеталей: транзисторы, диоды, тиристоры и другие.
Строение полупроводников
Полупроводники N-типа содержат избыточное количество электронов, переносящих отрицательный заряд. Полупроводники Р-типа испытывают нехватку электронов, но зато имеют избыток дырок (вакантных мест для электронов), которые переносят положительный заряд.
Отличительные признаки полупроводников
В отличие от проводников, имеющих много свободных электронов, и изоляторов, практически их не имеющих, полупроводники содержат небольшое количество свободных электронов и так называемые дырки (белый кружочек) — вакантные места, оставленные свободными электронами. И дырки и электроны проводят электрический ток.
Конструктивные особенности, которыми обладают электрические полупроводники
Проводники имеют много свободных электронов. Изоляторы ими вообще практически не обладают. Полупроводники же содержат и определённое количество свободных электронов, и пропуски с позитивным зарядом, которые готовы принять освободившиеся частицы. И что самое главное – они все проводят электрический ток. Рассмотренный ранее тип NPN-транзистора – не единый возможный полупроводниковый элемент. Так, существуют ещё PNP-транзисторы, а также диоды.
Если говорить про последний кратко, то это такой элемент, что может передавать сигналы только в одном направлении. Также диод может превратить переменный ток в постоянный. Каков механизм такого превращения? И почему он двигается только в одном направлении? Зависимо от того, откуда идёт ток, электроны и пропуски могут или расходиться, или идти навстречу. В первом случает из-за увеличения расстояния происходит прерывание подачи снабжения, поэтому и осуществляется передача носителей негативного напряжения только в одну сторону, то есть проводимость полупроводников является односторонней. Ведь ток может передаваться исключительно в случае, если составляющие частицы находятся рядом. А это возможно только при подаче тока с одной стороны. Вот такие типы полупроводников существуют и используются на данный момент.
Зонная структура
Электрические и оптические свойства проводников связаны с тем, что при заполнении электронами уровней энергии они отделены от возможных состояний запрещенной зоной. Какие у неё особенности? Дело в том, что в запрещенной зоне отсутствуют уровни энергии. При помощи примесей и дефектов структуры это можно изменить. Высшая полностью заполненная зона называется валентной. Затем следует разрешенная, но пустая. Она называется зоной проводимости. Физика полупроводников – довольно интересная тема, и в рамках статьи она будет хорошо освещена.
Состояние электронов
Для этого используются такие понятия, как номер разрешенной зоны и квазиимпульс. Структура первой определяется законом дисперсии. Он говорит о том, что на неё влияет зависимость энергии от квазиимпульса. Так, если валентная зона является целиком заполненной электронами (которые переносят заряд в полупроводниках), то говорят, что в ней отсутствуют элементарные возбуждения. Если по какой-то причине частицы нет, то это значит, что здесь появилась положительно заряженная квазичастица – пропуск или дыра. Они являются носителями заряда в полупроводниках в валентной зоне.
Примеси и дефекты в полупроводниках
Они могут быть электрически неактивными или активными. Использование первых позволяет получать в полупроводниках плюсовой или минусовой заряд, который может быть компенсирован появлением дыры в валентной зоне или электрона в проводимой зоне. Неактивные примеси являются нейтральными, и они относительно слабо влияют на электронные свойства. Причем часто может иметь значение то, какую валентность имеют атомы, которые берут участие в процессе передачи заряда, и строение кристаллической решетки.
Зависимо от вида и количества примесей может меняться и соотношение между количеством дыр и электронов. Поэтому материалы полупроводников должны всегда тщательно подбираться, чтобы получить желаемый результат. Этому предшествует значительное количество расчетов, а в последующем и экспериментов. Частицы, которые большинство называют основными носителями заряда, являются неосновными.
Дозированное введение примесей в полупроводники позволяет получать устройства с требуемыми свойствами. Дефекты в полупроводниках также могут быть в неактивном либо активном электрическом состоянии. Важными здесь являются дислокация, межузельный атом и вакансия. Жидкие и некристаллические проводники реагируют на примеси по-другому, чем кристаллические. Отсутствие жесткой структуры в конечном итоге выливается в то, что перемещенный атом получает другую валентность. Она будет отличаться от той, с которой он первоначально насыщает свои связи. Атому становится невыгодно отдавать или присоединять электрон. В таком случае он становится неактивным, и поэтому примесные полупроводники имеют большие шансы на выход из строя. Это приводит к тому, что нельзя менять тип проводимости с помощью легирования и создать, к примеру, р-n-переход.
Некоторые аморфные полупроводники могут изменять свои электронные свойства под воздействием легирования. Но это относится к ним в значительно меньшей степени, чем к кристаллическим. Чувствительность аморфных элементов к легированию можно повысить с помощью технологической обработки. В конечном итоге хочется отметить, что благодаря длительной и упорной работе примесные полупроводники все же представлены целым рядом результатов с хорошими характеристиками.
Существуют различные типы полупроводниковых материалов в зависимости от присутствующих в них примесей и их физической реакции на различные воздействия окружающей среды..
Собственные полупроводники
Те элементы, молекулярная структура которых состоит из одного типа атома. К таким типам полупроводников относятся кремний и германий..
Молекулярная структура собственных полупроводников является тетраэдрической; то есть он имеет ковалентные связи между четырьмя окружающими атомами, как показано на рисунке ниже.
Каждый атом собственного полупроводника имеет 4 валентных электрона; то есть 4 электрона, вращающиеся во внешнем слое каждого атома. В свою очередь каждый из этих электронов образует связи со смежными электронами.
Таким образом, каждый атом имеет 8 электронов в своем наиболее поверхностном слое, который образует прочный союз между электронами и атомами, составляющими кристаллическую решетку..
Из-за этой конфигурации электроны не могут легко перемещаться внутри структуры. Таким образом, в стандартных условиях собственные полупроводники ведут себя как изолятор.
Однако проводимость собственного полупроводника возрастает всякий раз, когда температура увеличивается, поскольку некоторые валентные электроны поглощают тепловую энергию и отделяются от связей.
Эти электроны становятся свободными электронами и, если на них правильно воздействует разница в электрическом потенциале, они могут способствовать циркуляции тока в кристаллической решетке..
В этом случае свободные электроны переходят в зону проводимости и переходят к положительному полюсу источника потенциала (например, батареи)..
Движение валентных электронов вызывает вакуум в молекулярной структуре, что приводит к эффекту, подобному тому, который мог бы вызвать положительный заряд в системе, поэтому они рассматриваются как носители положительного заряда..
Затем имеет место обратный эффект, поскольку некоторые электроны могут выпадать из зоны проводимости до тех пор, пока валентный слой не высвободит энергию в процессе, который получает название рекомбинации..
Внешние полупроводники
Они соответствуют включением примесей в собственные проводники; то есть путем включения трехвалентных или пятивалентных элементов.
Этот процесс известен как легирование и направлен на повышение проводимости материалов, улучшение физических и электрических свойств этих.
Подставляя собственный атом полупроводника на атом другого компонента, можно получить два типа внешних полупроводников, которые подробно описаны ниже..
В этом случае примесь является трехвалентным полупроводниковым элементом; то есть с тремя (3) электронами в своей валентной оболочке.
Нарушающие элементы в структуре называются легирующими элементами. Примерами этих элементов для полупроводников P-типа являются бор (B), галлий (Ga) или индий (In).
Не имея валентного электрона для образования четырех ковалентных связей собственного полупроводника, полупроводник P-типа имеет зазор в недостающем звене.
Это делает прохождение электронов, которые не принадлежат к кристаллической сети через эту дырку с носителем положительного заряда.
Из-за положительного заряда зазора звена этот тип проводников называется буквой «Р» и, следовательно, они распознаются как акцепторы электронов..
Поток электронов через зазоры связи создает электрический ток, который течет в направлении, противоположном току, получаемому от свободных электронов..
Навязчивый элемент в конфигурации дается пятивалентными элементами; то есть те, которые имеют пять (5) электронов в валентной зоне.
В этом случае примесями, которые включены в собственный полупроводник, являются такие элементы, как фосфор (P), сурьма (Sb) или мышьяк (As).
Присадки имеют дополнительный валентный электрон, который, не имея ковалентной связи для присоединения, автоматически может свободно перемещаться по кристаллической сети..
Здесь электрический ток циркулирует через материал благодаря избытку свободных электронов, обеспечиваемых легирующей добавкой. Поэтому полупроводники N-типа считаются донорами электронов..
Свойства полупроводников.
Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры.
При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники не проводят электрический ток, а с повышением температуры, их сопротивляемость току уменьшается.
Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.
Электропроводность полупроводника.
Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.
При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.
Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.
А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.
Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.
Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.
Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.
Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.
Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).
Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.
В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.
Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.
Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов. Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи.
Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.
Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.
Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.
Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.
Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.
Механизм электрической проводимости
Проводимость таких материалов, как полупроводники, имеет иной характер, чем у обычных проводников. Главное условие возникновения тока в материалах – наличие достаточного количества свободных электронов. Кристаллическая структура полупроводниковых материалов характеризуется ковалентными химическими связями, когда каждый электрон ядра связан с двумя рядом стоящими атомами.
Электроны веществ участвуют в переносе заряда при получении некоторой энергии. Работа энергии для полупроводников имеет значение порядка единиц электрон-вольт (эВ). У проводников это значение меньше, у диэлектриков, соответственно, больше.
Важная особенность рассматриваемых материалов – они могут обладать особым типом проводимости – дырочной. В электронной оболочке атома в момент отрыва и ухода электрона образуется свободное место, которое принято именовать дыркой. Соответственно, дырка имеет положительный заряд, направление движения противоположно потоку электронов.
Все вещества характеризуются энергетическими зонами электронов оболочки атома. Таких зон три:
Название запрещенной зоны говорит о том, что электрон находиться в ней не может. Поэтому для возникновения тока электрон должен переместиться в зону проводимости из стабильной валентной зоны. Чем шире запрещенная зона, тем свойства материала приближаются к диэлектрикам.
При воздействии электрического поля в материалах начинается движение носителей заряда. В рассматриваемом случае это электроны и дырки. Зависимость между скоростью движения и величиной напряженности электрического поля при отсутствии влияния нагрева называется подвижностью. Рост числа взаимных столкновений является причиной того, что при увеличении концентрации подвижность падает
Какие типы существуют
Существует два вида проводимости. Электронная и дырочная. Ниже подробно рассказано о каждом из них.
Если добавить в полупроводник кремния пятивалентный атом мышьяка (As), то, посредством четырехвалентных электронов, мышьяк установит ковалентные связи c четырьмя соседними атомами кремния. Для пятого валентного электрона не останется пары, и он станет слабо связанным с атомом.
Введем в кристалл кремния трехвалентный атом индия (In). Индий установит ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами кремния. Для четвертого «соседа», у индия не хватает одного электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов кремния
Сфера применения полупроводника
Полупроводниковыми приборами называются устройства, действие которых основано на использовании свойств полупроводниковых материалов.
Различие между видами
На основе беспереходных полупроводников изготавливаются такие резисторы:
Принцип работы большинства таких приборов основывается на свойствах электронно-дырочного перехода p-n – перехода.
В заключении необходимо отметить, что проводники и полупроводники каждый день встречаются в жизни человека. Их достаточно часто применяют в радиотехнике и физике. Например, их можно встретить в классических транзисторах или варисторах для сопротивления. Ни один электроприбор не сможет функционировать без этих деталей.
Дырки в полупроводниках
При повышении температуры или интенсивности внешнего облучения происходит увеличение количества свободных электронов. Следовательно, увеличивается ток. Те атомы в веществе, которые потеряли электроны, становятся положительными ионами, они не перемещаются. С внешней стороны атома, с которого ушел электрон, остается дырка. В нее может встать другой электрон, который покинул свое место в атоме поблизости. В результате этого на внешней части у соседнего атома образуется дырка – он превращается в ион (положительный).
Если к полупроводнику приложить напряжение, то электроны начнут двигаться от одних атомов к соседним в определенном направлении. Дырки же начнут перемещаться во встречном направлении. Дырка – это положительно заряженная частица. Причем заряд у нее по модулю такой же, как у электрона. С помощью такого определения можно существенно упростить анализ всех процессов, которые протекают в полупроводниковом кристалле. Ток дырок (обозначается I Д) – это перемещение частиц в направлении, обратном движению электронов.
Полупроводниковые приборы
Сразу можно привести примеры полупроводниковых приборов – это транзисторы, тиристоры, диоды, и даже микросхемы. Конечно, это далеко не полный список. Чтобы изготовить полупроводниковый прибор, нужно использовать материалы, у которых проводимость дырочная или электронная. Чтобы получить такой материал, необходимо в идеально чистый полупроводник с концентрацией примесей менее 10-11% ввести добавку (ее называют легирующей примесью).
Те примеси, у которых валентность оказывается больше, чем у полупроводника, отдают свободные электроны. Эти примеси называются донорами. А вот те, у которых валентность меньше, чем у полупроводника, имеют свойство хватать и удерживать электроны. Их называют акцепторами. Для того чтобы получился полупроводник, который будет обладать лишь проводимостью электронного типа, в исходный материал достаточно ввести вещество, у которого валентность будет всего на единицу больше. Для примера полупроводников в физике школьного курса рассматривается германий – его валентность равна 4. В него добавляется донор – фосфор или сурьма, у них валентность равна пяти. Металлов-полупроводников немного, они практически не используются в технике.
При этом 4 электрона в каждом атоме осуществляют установку четырех парных (ковалентных) связей с германием. Пятый электрон не имеет такой связи, а значит, он в свободном состоянии. И если приложить к нему напряжение, он будет образовывать электронный ток.
Собственная проводимость полупроводника
Проводимость любого вещества определяется наличием и подвижностью носителей заряда в этом веществе и рассчитывается по специальным формулам. Практически во всех твердых веществах проводимость обеспечивается свободными электронами. Однако в полупроводниках она имеет свои особенности.
Рассмотрим кристалл типичного полупроводника — кремния.
Кремний четырехвалентен, а энергетически устойчивое число внешних валентных электронов — восемь. В итоге кремнию «энергетически выгодно» создать четыре двухэлектронных связи с соседними атомами.
Рис. 1. Строение полупроводника кремния.
При повышении температуры энергии некоторых электронов начинает хватать, чтобы разорвать связь. В кристалле появляются свободные отрицательные носители. Они обеспечивают проводимость, которая называется электронной.
Одновременно в кристаллической решетке оказываются связи с недостатком электронов. Такая связь называется дыркой. Поскольку электрон в составе связи при подлете к атому может продолжить движение по любой из четырех связей, то дырка в любой момент может заполниться электроном с образованием дырки в соседней связи. Такое событие может рассматриваться, как движение дырки. А поскольку дырка представляет собой недостаток электронов, она движется как положительно заряженный носитель. Такая проводимость называется дырочной.
Электронная и дырочная проводимость, появляющаяся в результате того, что электроны разрывают связи, называется собственной проводимостью проводника.
Примесная проводимость полупроводника
Собственная проводимость полупроводника относительно невелика. Для существенного увеличения проводимости имеет смысл специально создавать носители, которые бы всегда имелись в веществе полупроводника, даже без повышения температуры.
Такую проводимость можно создать, если ввести в кристалл четырехвалентного полупроводника пяти- или трехвалентные атомы.
При добавлении пятивалентных атомов мышьяка или сурьмы один электрон в таких атомах окажется вне ковалентных связей. В результате этот электрон будет очень легко покидать свой атом и свободно двигаться в кристалле.
Проводимость, обеспечиваемая пятивалентными примесями, называется донорной. Основными носителями в ней являются электроны. Полупроводник, имеющий донорную проводимость, называется проводником n-типа.
Рис. 2. Донорная примесь.
Если добавить в полупроводник трехвалентные атомы индия или галлия, то в одной из связей с этим атомом всегда будет незаполненное место — дырка.
Проводимость, обеспечиваемая трехвалетными примесями, называется акцепторной. Основными носителями в ней являются дырки. Полупроводник, имеющий акцепторную проводимость, называется проводником p-типа.
Рис. 3. Акцепторная примесь.
Собственная и примесная проводимость полупроводников обеспечиваются электронами и дырками (свободными местами в связях). Собственная проводимость обеспечиваемая носителями, возникающими при разрыве связей в кристалле. Примесная проводимость — это проводимость, обеспечиваемая носителями, возникающими в результате специальных пяти- и трехвалентных примесей. Проводимость, обеспечиваемая пятивалентными примесями, называется донорной, трехвалентными — акцепторной.
Собственные полупроводники, максимальная доля примеси в которых составляет 1 на 10 миллиардов, являются плохими проводниками.
Полупроводник N-типа легируется пятивалентной примесью, чтобы создать свободные электроны. Такой материал является проводящим. Электрон в нем является основным носителем.
Полупроводник P-типа, легированный трехвалентной примесью, имеет множество свободных дырок. Это носители положительного заряда. Материал P-типа является проводящим. Дырки в нем являются основными носителями.
Большинство полупроводников основаны на элементах из группы IVA периодической таблицы. Причем кремний является наиболее распространенным, германий устарел, а углерод (алмаз) в настоящее время исследуется.
Широко используются и составные полупроводники, такие как карбид кремния (группа IVA) и арсенид галлия (группа III-V).
PN–переход
Существующие в природе вещества с точки зрения их электропроводности подразделяются на следующие типы:
В первых всегда имеется достаточное количество свободных (оторвавшихся от своих атомов) электронов, а во вторых материалах их совсем мало. Поэтому проводники хорошо переносят электрические заряды (пропускают ток); в диэлектриках же при обычных напряжениях этого не наблюдается.
Хорошо известен еще один вид материалов, в которых содержание свободных носителей зарядов в нормальных условиях совсем невелико. Поскольку они все же имеются в наличии в этих элементах – их назвали полупроводниками.
Обратите внимание: Под воздействием света, при нагревании или при добавлении небольшого количества примесей количество свободных частиц в этих материалах возрастает.
Вследствие этого они приобретают свойства проводников электричества.
нципа работы полупроводниковых приборов.
В зависимости от типа химической примеси, добавленной в структуру чистого полупроводникового вещества, в нем появляется либо избыток свободных электронов, либо, напротив – их начинает недоставать. На месте отсутствующего носителя образуется так называемая “дырка” в виде лишенного одного электрона атома, по сути представляющая собой положительный заряд.
Материалы, в которых вследствие диффузии появляется избыток дырок называются полупроводниками P типа (positiv), а те, что образуют при этом много электронов – N (negativ) типа.
Особый интерес представляет ситуация, когда из двух типов полупроводниковых материалов образуется контактная зона (так называемый “P-N переход”). В нормальном состоянии на границе двух материалов из-за взаимной диффузии дырок и электронов в противоположную структуру образуется непроводящий слой (порядок его образования – на фото ниже).
Но если к нему приложить прямое напряжение – оно вызовет перемещение электронных носителей в сторону р-области и такой же поток дырок в зону с избытком электронов.
Поскольку оба эти элемента при преодолении перехода переносят электрический заряд – в цепи начнет течь постоянный ток (фото ниже).
При подаче на переход напряжения противоположной полярности как электроны, так и дырки под воздействием ЭДС оттянутся от него. Поскольку собственных переносчиков электрического заряда в этой области не имеется – ток через него не потечет (или будет микроскопически мал).
Применение полупроводников на практике
Особенную важность этих элементов следует отметить в компьютерных технологиях. Почти не сомневаемся, что вас бы не интересовал вопрос о том, что такое полупроводники, если бы не желание самостоятельно собрать предмет с их использованием. Невозможно представить работу современных холодильников, телевизоров, компьютерных мониторов без полупроводников. Не обходятся без них и передовые автомобильные разработки. Также они применяются в авиа- и космической технике. Понимаете, что такое полупроводники, насколько они важны? Конечно, нельзя сказать, что это единственные незаменимые элементы для нашей цивилизации, но и недооценивать их тоже не стоит.
Применение полупроводников на практике обусловлено ещё и целым рядом факторов, среди которых и широкая распространённость материалов, из которых они изготавливаются, и легкость обработки и получения желаемого результата, и другие технические особенности, благодаря которым выбор ученых, разрабатывавших электронную технику, остановился на них.
Виды проводимости
В современной электронике практическое применение имеют следующие полупроводники: германий, кремний, селен, окись меди и др. Вокруг ядра атома германия, содержащего 32 протона, на четырех оболочках находятся 32 электрона; расположенные на наружной оболочке 4 валентных электрона и определяют электропроводность германия.
Вследствие теплового возбуждения происходит ионизация отдельных атомов кристаллической решетки, т. е. некоторые из валентных электронов становятся свободными, обусловливая электронную проводимость германия. В результате столкновений с ионами и атомами часть свободных электронов теряет энергию. Они возвращаются в валентную зону и занимают свое место в парноэлектронных связях. Одновременно с этим появляются новые свободные электроны. Наконец, устанавливается динамическое равновесие между освобождающимися электронами и возвращающимися в валентную зону.
В полупроводнике наряду с электроном имеет место так называемая дырочная проводимость полупроводника. После отрыва электрона от атома остается свободное место, которое называют дыркой. Валентный электрон соседнего нейтрального атома может перейти на притягивающий его атом с дыркой и заполнить освободившуюся связь. При этом дырка как бы «переходит» к соседнему атому. Если к полупроводнику не приложено внешнее электрическое поле, то дырки, так же как и свободные электроны зоны проводимости, перемещаются беспорядочно. Если полупроводник поместить в электрическое поле, то движение дырок становится направленным.
Это направленное движение дырок от одного атома к другому соответствует движению положительных зарядов через полупроводник, а следовательно, и протеканию через полупроводник тока в направлении движения дырок.
Проводимость полупроводника, вызванная движением дырок, называется дырочной или проводимостью типа р (от латинского слова positive — Положительный), в отличие от проводимости типа n (от латинского слова negative — отрицательный), обусловленной движением электронов.
Токи, вызванные электронной и дырочной проводимостями, совпадают по направлению и поэтому
где In — электронный ток; Ip — дырочный ток.
Проводимость полупроводника, возникающая в полупроводнике вследствие нарушения валентных связей, называется собственной проводимостью.
Таким образом, проводимость полупроводника определяется как движением электронов в зоне проводимости, так и движением электронов в валентной зоне, однако принято считать, что в валентной зоне перемещаются не электроны, а дырки.
Чистые полупроводники редко применяются в полупроводниковой технике. Обычно используются примесные полупроводники. Введение в полупроводник атомов соответствующей примеси способствует образованию дополнительных носителей тока, что приводит к повышению электропроводности иногда в десятки миллионов раз. В чистом полупроводнике «поставщиком» электронов в зону проводимости может быть валентная зона. Введение примесей в полупроводник должно способствовать переходу электронов в зону проводимости.
Существуют два вида примесей. В примесях первого вида энергетические уровни электронов примеси располагаются в запрещенной зоне полупроводника вблизи зоны проводимости. Поэтому атомы примеси, являясь поставщиками электронов в зону проводимости, легко отдают в нее электроны, поскольку электронам при этом следует сробщить меньшую энергию ∆Е1, а не ∆Е, как в полупроводнике без примеси. Примесные уровни при температуре выше абсолютного нуля отдают свои электроны в зону проводимости тем интенсивнее, чем выше температура полупроводника. Примесные уровни такого вида называются донорными уровнями, а сами примеси — донорами (donarе — дарить, лат.).
Примесные уровни второго вида называются акцепторными, а сами примеси — акцепторами. Акцепторные уровни располагаются около валентной зоны. При абсолютном нуле температуры акцепторные уровни свободны, т. е. не заполнены. Поэтому при температуре, отличной от абсолютного нуля, на такие уровни могут перейти электроны из валентной зоны, и так как ∆Е2 Интегральные схемы
На основе полупроводниковых кристаллов создаются интегральные схемы, в которых сотни тысяч элементов соединяются в единую электрическую цепь.
Полупроводники используются при создании:
фоторезисторов, которые находят применение в автоматических выключателях света, индикаторах на ИСЗ;
термисторах, используемых для измерения температуры, в пожарной сигнализации, реле времени;
фотоэлементах, используемых в солнечных батареях;
фотодиодах, используемых для измерения интенсивности света;
фототранзисторах, используемых в различных датчиках;
светодиодах, используемых в качестве источника инфракрасного излучения, знаковых индикаторах, полупроводниковых лазерах.
Подведем итог
Полупроводники по электропроводности занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. К полупроводникам относится большая группа веществ (Si, Ge и др.). В отличие от металлов с ростом температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается.
Проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов и дырок. В чистом кристалле электроны и дырки присутствуют в равном количестве. Такой полупроводник обладает собственной проводимостью.
При наличии примесей в полупроводниках возникает примесная проводимость. При добавлении донорной примеси с валентностью на единицу больше, чем у полупроводника, один электрон остается свободным. Получается полупроводник n-типа.
Если же добавить акцепторную примесь с валентностью на единицу меньше, чем у полупроводника, то в таком полупроводнике концентрация дырок превышает концентрацию электронов. Получается полупроводник p-типа.
Область контакта полупроводников двух типов называется p-n-переходом. Важным свойством p-n-перехода является его односторонняя проводимость. Данное свойство используется в работе полупроводникового диода.
Полупроводники используются при создании транзисторов, термисторов, светодиодов, фотоэлементов, интегральных схем.
В настоящее время полупроводниковые приборы находят широкое применение в радиотехнике, автоматике, вычислительной технике, телемеханике.