ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Электропроводность многих полупроводников резко увеличивается под действием рентгеновского, ультрафиолетсвого, светового и др. излучений и зависит от интенсивности поглощенного ими излучения; у металлов такой зависимости не наблюдается.

Для объяснения этих, а также и других свойств полупроводников необходимы подробные сведения о структуре твердых тел, характере процессов, которые происходят в них при прохождении

электрического тока, при различных Воздействиях на эти тела, влиянии примесей и т. д. Ниже будет дано только схематическое изложение основных представлений о «механизме» электропроводности в полупроводниках.

В твердом веществе связь между соседними атомами осуществляется благодаря валентным электронам, которые цементируют атомы в прочное тело. Установлено, что связь между двумя атомами наиболее прочная, если она осуществляется двумя электронами, одновременно взаимодействующими с обоими атомами (двухэлектронная или валентная связь). Например, молекула двухатомного водорода обнаруживает большую прочность благодаря двухэлектронной связи между ее атомами. В элементарной ячейке (тетраэдре) кристаллической решетки германия каждый атом связан с четырьмя соседними атомами при помощи восьми электронов: четыре электрона взяты из своей валентной оболочки, а остальные четыре — из оболочек соседей. Принято говорить, что электроны «заполняют связи» между атомами. Таким образом, для прочности твердого тела необходимо определенное количество электронов, осуществляющих связи между атомами. Это число зависит от кристаллической структуры вещества. Если данное тело располагает большим количеством валентных электронов, чем это необходимо для «заполнения связей» между атомами, то избыточные электроны оказываются слабо связанными с атомами, т. е. являются почти свободными. Наоборот, при нехватке электронов, связи между атомами окажутся «незаполненными» («вакантными»). Иллюстрируем это на примере кристаллической решетки германия; допустим, что один из атомов германия заменен атомом другого вещества, имеющим в валентной оболочке не четыре, а пять электронов (мышьяк). Тогда из этих пяти электронов четыре используются для прочной связи с четырьмя соседними атомами германия, а пятый электрон атома мышьяка останется лишним, слабо связанным с атомами. Если же в кристаллической решетке германия один из его атомов заменить атомом другого вещества, имеющего три валентных электрона (индий), то для осуществления двухэлектронных связей этого атома с четырьмя соседними атомами германия недостает одного электрона: в этом случае одна из связей оказывается незаполненной (вакантной, пустой).

До сих пор мы считали, что вещество обладает электропроводностью, если в нем имеются свободные электроны (или почти свободные), весьма слабо связанные с атомами решетки. Однако можно показать, что электропроводность может быть осуществлена и при отсутствии свободных электронов (при помощи связанных электронов), если только:

1) в веществе имеются незаполненные связи,

2) температура вещества достаточно высокая.

На рис. III. 44, а большими кружками обозначены пять четырехвалентных атомов германия и один трехвалентный (примесный) атом индия, связанные между собой электронами (боковые связи между атомами не показаны). При этом одна связь, показанная квадратиком, остается незаполненной. При наличии теплового движения возможно, что один из соседних электронов перейдет на это вакантное место.

Тогда связи примесного атома индия окажутся заполненными, но появится «пустое место» в связях соседнего атома германия Если внешнего электрического поля нет и существует только тепловое движение, то переход электронов от заполненных связей к пустым происходит совершенно беспорядочно. При наличии же внешнего электрического поля переход от заполненных связей к пустым в направлении действующей на них внешней электрической силы будет происходить чаще, чем переход в противоположном направлении (в котором электрическое поле тормозит движение электрона). Таким образом, благодаря наличию вакансий в связях между атомами, внешнее электрическое поле при содействии теплового движения вызывает упорядоченное перемещение связанных электронов в направлении, противоположном напряженности поля. При этом вакантная связь, получившая название «дырки», перемещается в направлении поля, как перемещались бы положительно заряженные частицы.

Рис. III.44

Электропроводность, обусловленная движением свободных электронов, называется электронной, а движением связанных электронов (т. е. перемещением вакантных связей или «дырок») — дырочной электропроводностью.

Незаполненные связи («дырки») могут быть получены не только при помощи примесей, т. е. замены атомов данного вещества атомами другого вещества с меньшим числом валентных электронов, но и при помощи облучения или под воздействием интенсивного теплового движения, при котором могут быть «разорваны» связи между соседними атомами. В этом случае одновременно образуются и свободный электрон и «дырка». По мере увеличения их концентрации в объеме вещества происходит рекомбинация, т. е. заполнение вакантных связей свободными электронами. При каждой температуре существует определенное равновесное состояние между противоположными процессами освобождения и заполнения связей; число свободных электронов и число вакантных связей в единице объема германия при нормальной температуре имеют порядок

Таким образом, свободные электроны и вакантные связи существуют в чистых полупроводниках при любой температуре; с повышением температуры концентрации их растут. Электропроводность вещества, обусловленная свободными электронами и «дырками»,

образовавшимися в равных количествах при тепловых движениях атомов, называется собственной.

Примеси, добавление которых к полупроводнику приводит к увеличению концентрации свободных электронов, называются донорами; примеси, увеличивающие концентрацию «дырок», называются акцепторами. Если проводимость полупроводниковобусловлена преимущественно свободными электронами, то они называются полупроводниками -типа; для них «дырочная» проводимость является неосновной, побочной. Полупроводники, у которых основными «носителями тока» являются «дырки», а побочными — свободные электроны, называются полупроводниками -типа.

В любом полупроводнике имеются и свободные электроны и вакантные связи — «дырки». Обозначим через и яд числа электронов и дырок в единице объема вещества, а — их подвижности; удельная электропроводность полупроводника

При собственной проводимости (в химически чистом веществе) при наличии примесей эти числа будут отличаться. Например, в германии с примесью мышьяка примесью индия Подвижности электронов и дырок зависят от структуры кристаллической решетки (у ионных решеток они меньше, чем у атомных), а также от температуры; в данном веществе (у большинства полупроводников например, у германия при Изменение о под действием различных физических факторов (температуры, электрического поля, излучения, давления и т. д.) происходит преимущественно вследствие того, Что эти факторы изменяют