Глава семнадцатая. Полупроводниковые приборы и их применение

17-1. Собственная электропроводность полупроводников

Полупроводниками называются материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Удельное объемное электрическое сопротивление проводников лежит в границах полупроводников — диэлектриков

Для полупроводников характерна большая зависимость проводимости от температуры, электрического поля, освещенности, сжатия и т. д. В отличие от проводников они имеют не только электронную, но и так называемую дырочную проводимость.

Рис. 17-1. Кристаллическая решетка полупроводника: а — парноэлектрониая (ковалентная) связь атомов; б — ее схематическое изображение; в — связи в кристаллической решетке германия.

В электронике в качестве полупроводниковых материалов наиболее широко применяются германий, кремний, арсенид галлия.

Химическую связь двух соседних атомов, обусловленную образованием общей пары электронов на одной орбите (рис. 17-1, а), называют парноэлектронной или ковалентной. Она условно изображается двумя линиями, соединяющими атомы (рис. 17-1, б). Например, германий принадлежит к элементам четвертой группы периодической системы элементов Менделеева. Следовательно, он имеет на внешней орбите четыре валентных электрона. Каждый атом в кристалле германия образует парноэлектронные связи с четырьмя соседними атомами (рис. 17-1, в).

При температуре, близкой к абсолютному нулю, и отсутствии примесей все валентные электроны атомов в кристалле германия взаимно связаны, свободных электронов нет: следовательно, кристалл не обладает проводимостью.

При повышении температуры или при облучении увеличивается энергия части электронов, что приводит к частичному нарушению ковалентных связей и появлению свободных электронов. Германий уже при комнатной температуре становится полупроводником. Под действием внешнего электрического поля свободные электроны перемещаются, обусловливая электронную проводимость (я-проводимость).

В момент образования свободного электрона в ковалентных связях образуется свободное (вакантное) место — «электронная дырка», так что этот термин указывает на отсутствие одного электрона. При наличии дырки какой-либо из электронов соседней связи может занять место дырки, и нормальная связь в этом месте восстановится; однако нормальная связь нарушается в том месте, откуда убыл электрон; эту новую дырку может занять еще какой-либо электрон и т. д. Под действием внешнего электрического поля происходит перемещение дырок в направлении поля, т. е. в направлении, обратном перемещению электронов. Перемещение дарок эквивалентно перемещению положительных зарядов. Этот процесс называется дырочной проводимостью (р-проводимостью). Если при электродной проводимости один свободный электрон проходит весь путь в кристалле, то при дырочной проводимости большое количество электронов поочередно замещают друг друга в связях, т. е. имеет место как бы эстафета электронов, при которой каждый электрон проходит свой этап пути. Таким образом, проводимость полупроводника складывается из электронной и дырочной проводимостей.

При нарушении парноэлектронных связей в кристалле одновременно возникает одинаковое число свободных электронов и дырок. Если, с одной стороны, с повышением температуры происходит образование пар «электрон — дырка», с другой стороны, происходит их частичная рекомбинация. При заданной температуре число пар в единице объема полупроводника в среднем остается постоянным. Например, при температуре 20° С концентрация электронов и дырок у германия а у металлических проводников концентрация свободных электронов в Таким образом, из сопоставления концентраций следует, что проводимость германия при нормальной температуре значительно меньше проводимости металлов. При повышении температуры число свободных электронов и дырок сильно возрастает и проводимость германия значительно увеличивается.

Электропроводность полупроводника при отсутствии в нем примесей называется собственной электропроводностью полупроводника.

Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, который по абсолютной величине в 10—20 раз больше, чем у металлов. При нагревании металла на 1°С его сопротивление увеличивается примерно на 0,4%, а сопротивление полупроводника уменьшается на 4—8%. Это свойство полупроводников используется в технике для различных целей, например для изготовления терморезисторов, величина сопротивления которых резко меняется при незначительных изменениях температуры.