Главная > Элементарный учебник физики Т2
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

§ 109. Движение электронов в полупроводниках.

Полупроводники с электронной и дырочной проводимостью. В предыдущем параграфе мы видели, что в полупроводниках, как и в металлах, электрический ток осуществляется движением электронов. Однако условия и характер движения электронов в полупроводниках отличаются существенными особенностями, и это обусловливает своеобразные электрические свойства полупроводников.

В металлах концентрация свободных электронов очень велика, так что большая часть атомов оказывается ионизованной; практически вся проводимость металлов объясняется поведением «свободных электронов», как об этом говорилось в гл. VII. В полупроводниках же, где концентрация свободных электронов значительно меньше, нужно учитывать, наряду с движением в электрическом поле этих свободных электронов, и другой процесс, который может играть не меньшую роль в их проводимости.

Сравнительно немногочисленные электроны, сделавшиеся свободными, оторвались от некоторых атомов полупроводника, которые, таким образом, превратились в ионы. Каждый из таких ионов окружен большим числом нейтральных атомов. Нейтральные атомы, находящиеся в непосредственной близости к иону, могут легко отдавать ему свой электрон, делая ион нейтральным, но сами превращаясь в ионы. Таким образом, этот обмен электронами приводит к тому, что место положительного иона в полупроводнике меняется, т. е. дело обстоит так, как будто переместился положительный заряд. Итак, наряду с перемещением свободных электронов, в полупроводнике может происходить процесс, имеющий характер перемещения положительных зарядов.

Пока в полупроводнике не действует внешнее электрическое поле, оба эти процесса имеют хаотический характер, так что в среднем каждому электрону, смещенному в одном направлении, соответствует перемещение электрона в противоположном направлении; то же происходит и с перемещением положительно заряженных мест. Но при наложении поля оба процесса получают преимущественное направление: свободные электроны движутся в некотором избытке против поля, а положительные места – в некотором избытке по полю. Оба эти преимущественные перемещения дают ток одного направления (по полю), и результирующая проводимость обусловливается обоими процессами.

Рис. 184 иллюстрирует описанный процесс. Если мы представим себе цепочку атомов полупроводника, в одном месте которой образовался положительный ион 1, то под действием сил поля будет происходить перенос электрона от атома 2 к иону 1, затем от атома 3 к иону 2, от атома 4 к иону 3 и т. д., а результатом будет перемещение положительного заряженного места в обратном направлении.

245.jpg

Рис. 184. Грубая модель «дырочной» проводимости в полупроводниках: светлые кружки – нейтральные атомы, темный кружок – положительный ион. Стрелками указано направление последовательных переходов электронов от нейтральных атомов к ионам. Место положительного заряда перемещается в обратном направлении – по полю

Таким образом, в полупроводнике имеет место и движение свободных электронов против поля и перенос их от нейтральных атомов к ионам, равносильный движению положительного заряда по направлению поля.

То место полупроводника, где вместо нейтрального атома имеется положительный ион, называют дыркой и говорят, что ток в проводнике осуществляется частично движением свободных электронов против поля и частично движением дырок по полю. Нужно только помнить при этом, что фактически всегда имеет место только движение электронов, но движение связанных электронов от атомов к ионам приводит к такому результату, как будто движутся положительно заряженные дырки. Встречаясь с дыркой, свободный электрон может воссоединиться с положительным ионом. При этом свободный электрон и дырка исчезают. Этот процесс называют рекомбинацией.

В идеально чистом полупроводнике без всяких чужеродных примесей каждому освобожденному тепловым движением или светом электрону соответствовало бы образование одной дырки, т. е. число участвующих в создании тока электронов и дырок было бы одинаково.

Однако такие идеально чистые полупроводники в природе не встречаются, а изготовить их искусственно необычайно трудно. Малейшие следы примесей коренным образом меняют свойства полупроводников. В одних случаях влияние примесей проявляется в том, что «дырочный» механизм проводимости становится практически невозможным, и ток в полупроводнике осуществляется только движением свободных электронов. Такие полупроводники называются электронными полупроводниками или полупроводниками -типа (от латинского слова negativus – отрицательный). В других случаях невозможным становится движение свободных электронов, и ток осуществляется только движением дырок. Эти полупроводники называются дырочными полупроводниками или полупроводниками -типа (от латинского слова positivus – положительный).

Наряду с полупроводниками - и -типа, могут быть, разумеется, и полупроводники смешанного типа, в которых заметную роль играет и электронная и дырочная проводимость. В частности, смешанную проводимость мы имеем в рассмотренном выше беспримесном полупроводнике.

Чем объясняется это различие, мы покажем на примере важнейшего с точки зрения технических применений полупроводника – германия. Германий – химический элемент с порядковым номером 32 и атомной массой 72,59. В периодической системе элементов он находится в четвертом столбце и, как все элементы этой группы, является четырехвалентным, т. е. обладает четырьмя связями (валентными электронами), позволяющими ему соединяться с другими элементами. На рис. 185 условно изображено строение кристалла германия. Кружки с цифрами «+4» изображают отдельные атомы германия, каждый из которых связан с четырьмя своими соседями парными связями (двойные линии на рис. 185). Эта связь создается взаимодействием одного из валентных электронов данного атома с одним из валентных электронов его соседа. Если под действием теплового движения или поглощенного света в каком-нибудь месте кристалла (точка  на рис. 185) произойдет отрыв электрона, то там возникает незанятое место (дырка), а оторванный электрон становится свободным. Описанное выше перемещение электронов и дырок под действием сил поля обусловливает, как говорят, собственную проводимость германия. Число их относительно невелико: дырок и электронов при комнатной температуре имеется  в 1 , тогда как число атомов в 1  германия равно .

246.jpg

Рис. 185. Схема строения кристалла германия: кружки с цифрой «+4» - атомы германия, кружки с цифрами «+5» и «+3» - внедренные в германий атомы пятивалентного мышьяка и трехвалентного индия

Представим себе теперь, что в германии имеется небольшая примесь какого-нибудь пятивалентного элемента, скажем мышьяка, т. е. что небольшая доля атомов германия в кристалле замещена атомами мышьяка (точка  на рис. 185). У мышьяка имеется пять валентных электронов, обеспечивающих его связи с другими атомами. Когда атом мышьяка замещает атом германия, то четыре из этих электронов образуют прочные связи с четырьмя соседними атомами германия, а пятый оказывается связанным очень слабо и даже при комнатной температуре очень легко становится свободным за счет энергии теплового движения. Таким образом, почти каждый введенный в германий атом мышьяка создает один лишний свободный электрон. Число же дырок при этом не увеличивается, потому что оставшийся ион мышьяка прочно связан с четырьмя своими соседями двойными связями и переход электронов от соседних нейтральных атомов к иону мышьяка невозможен. Если даже количество введенного мышьяка очень мало, например составляет только одну миллионную долю числа атомов германия, то эта примесь даст в 1  около  дополнительных электронов, т. е. примерно в 1000 раз больше, чем их имелось в чистом германии, но не увеличит числа дырок. В таком полупроводнике свободные электроны являются основными, т. е. представленными в большинстве носителями заряда, а дырки – неосновными, т. е. представленными в меньшинстве. Иными словами, германии с примесью (даже очень малой) мышьяка становится электронным проводником (-типа).

Представим себе теперь, что мы ввели в германий примесь какого-нибудь трехвалентного элемента, например индия (точка  на рис. 185). Так как у индия имеется всего три валентных электрона, то он будет прочно связан только с тремя соседними атомами германия, а четвертая связь будет незаполнена. При этих условиях какой-нибудь электрон соседнего атома может легко оторваться от своего атома и заполнить эту связь, а соответствующий атом превратится в ион (дырку), связанный с соседними атомами только тремя связями. Атом индия при этом окажется заряженным отрицательно. После этого электрон какого-нибудь соседнего атома может оторваться и заполнить недостающую связь у иона, а сам этот атом превратится в положительный ион и т. д. Таким образом, место, где находится положительный заряд, будет перемещаться по кристаллу. В поле это перемещение дырок носит направленный характер, происходит преимущественно по направлению поля, т. е. создает электрический ток. Мы видим, что введение в германий примеси индия увеличивает число дырок, не увеличивая числа свободных электронов. Такой полупроводник является дырочным полупроводником (-типа), т. е. в нем дырки являются основными носителями заряда, а электроны – неосновными.

Разобранный нами пример германия с примесями мышьяка и индия является относительно простым. На практике приходится встречаться и с более сложными случаями влияния примесей на электрические свойства полупроводников. Но во всяком случае этот пример показывает, каким образом даже ничтожные следы примесей могут коренным образом изменять электрические свойства полупроводников и механизм прохождения через них тока. Это создает много трудностей в работе с полупроводниками, но это же обеспечивает и возможность получения полупроводников, с разнообразными свойствами, дающими возможность применять их для решения очень важных и разнообразных технических задач.

Различие между электронной и дырочной проводимостью полупроводников позволило объяснить ряд фактов, которые раньше казались загадочными. В §84, например, говоря о полупроводниковых термоэлементах, мы указали, что в одних случаях ток в горячем спае течет от металла к полупроводнику, а в других случаях – от полупроводника к металлу. Теперь мы можем понять, в чем здесь дело. В электронном полупроводнике скорость электронов в горячем конце больше, чем в холодном. Поэтому электроны просачиваются или, как говорят, диффундируют от горячего конца к холодному до тех пор, пока создающееся вследствие такого перераспределения зарядов электрическое поле не остановит этот поток диффундирующих электронов. Когда такое равновесие установится, то горячий конец, потерявший электроны, окажется заряженным положительно, а холодный конец, получивший избыток электронов, зарядится отрицательно. Иными словами, между горячим и холодным концами возникает некоторая положительная разность потенциалов.

В дырочном полупроводнике, наоборот, диффундируют от горячего конца к холодному дырки. Горячий конец заряжается отрицательно, а холодный – положительно. Знак разности потенциалов между горячим и холодным концами обратный.

 

1
Оглавление
email@scask.ru