§ 89. Ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости полупроводников

Проводники имеют удельное сопротивление порядка и меньше), диэлектрики — порядка (и больше).

Удельное сопротивление большинства веществ лежит между указанными пределами. Эти вещества называются полупроводниками. В научном и практическом отношении наибольший интерес представляют твердые полупроводники. Типичными их представителями являются кремний, германий, селен, теллур и некоторые другие.

Как и у металлов, проводимость твердых полупроводников обусловлена перемещением электронов. Однако условия перемещения электронов в металлах и полупроводниках существенно различны, на что, в частности, указывает отмеченное резкое различие значений удельного сопротивления металлов и полупроводников. В отличие от металлов полупроводникам свойственны следующие основные особенности.

Во-первых, сопротивление полупроводников уменьшается с повышением температуры. Причем влияние изменения температуры сказывается на изменении сопротивления больше у полупроводника, чем у металла (при изменении температуры на один кельвин сопротивление металла возрастает в среднем на 0,004, а сопротивление полупроводника уменьшается в среднем на 0,06 сопротивления при 273 К).

Во-вторых, электрический ток в полупроводниках осуществляется не только перемещением свободных электронов, но и перемещением связанных (с атомами) электронов. При некоторых условиях связанные электроны играют решающую роль в проводимости полупроводника.

В-третьих, небольшое количество примеси может дчень сильно изменить сопротивление полупроводника. Сотые доли процента примеси могут изменить сопротивление полупроводника в десятки тысяч раз.

Выясним причины этих особенностей полупроводников, прибегая к некоторым упрощенным представлениям и схемам.

При низких и нормальных температурах в полупроводнике имеется небольшое число свободных электронов: подавляющее большинство электронов связано с атомами. Этим объясняется плохая проводимость (большое удельное сопротивление) полупроводников. Немногие из имеющихся в полупроводнике свободных электронов ведут себя приблизительно так же, как свободные электроны в металле. В отсутствие электрического поля они движутся хаотически, а при наличии поля приобретают еще и направленное движение (против поля), создавая тем самым слабый ток в полупроводнике. Проводимость, обусловленная движением свободных электронов, называется электронной, или проводимостью -типа (от слова negative - отрицательный).

Для того чтобы связанный электрон стал свободным, необходимо увеличить его кинетическую энергию. С этой целью надо сообщить ему извне энергию, равную (или большую) работе освобождения от

связи с атомом, что можно сделать, например, путем нагревания полупроводника. Следовательно, с повышением температуры число свободных электронов в полупроводнике возрастает.

Увеличение концентрации свободных электронов повышает проводимость и соответственно снижает сопротивление полупроводника. Правда, с ростом температуры усиливается хаотическое движение атомов полупроводника, затрудняя тем самым упорядоченное движение электронов, что вызывает увеличение сопротивления полупроводника. Однако влияние роста концентрации свободных электронов на сопротивление полупроводника преобладает над влиянием усиления хаотического движения атомов. Поэтому с псвышением температуры сопротивление полупроводника уменьшается.

В металле имеется большое число свободных электронов даже при самых низких температурах. В связи с этим повышение температуры металла практически не изменяет концентрацию свободных электронов в нем, а ведет лишь к усилению хаотического движения частиц металла. Поэтому при повышении температуры сопротивление металлов возрастает.

Высокое удельное сопротивление полупроводника и резко выраженная зависимость его сопротивления от температуры позволяют изготовлять полупроводниковые термометры сопротивления, обладающие малыми размерами и большой чувствительностью сравнительно с металлическими электротермометрами сопротивления. Полупроводниковый термометр сопротивления называется термистором. Приемная часть термистора может иметь размеры в десятые доли миллиметра. Это дает возможность использовать термистор для измерения температуры очень малых объектов, например отдельных малых (практически — точечных) участков растительных и животных организмов. Термистором можно обнаруживать изменения температуры в миллионные доли кельвина. Благодаря столь высокой чувствительности термистор реагирует на изменение освещенности.

Помимо рассмотренной электронной проводимости для полупроводников характерен еще один тип проводимости, обусловленный перемещением связанных электронов. Чтобы понять это странное, на первый взгляд, явление, следует учесть, что соседние атомы кристаллического полупроводника связаны между собой внешними (валентными) электронами. Наиболее прочной является двухэлектронная связь, при которой каждые два соседних атома имеют во внешних электронных слоях по два общих электрона. Рассмотрим, например, германий. Он четырехвалентен, т. е. его атом имеет четыре внешних электрона, каждый из которых одновременно принадлежит одному из четырех соседних атомов германия.

Германий имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку. В такой решетке каждый атом германия находится

в центре тетраэдра (правильного четырехгранника с треугольными гранями), вершинами которого являются четыре ближайших атома германия (рис. 194).

Плоскостная схема электронных связей между атомами германия изсбражена на рис. 195, а. Кружками обозначены атомы германия (занумерованы римскими цифрами), точками — внешние электроны (занумерованы арабскими цифрами), линиями — электронные связи атомов (каждая линия соответствует связи, осуществляемой одним электроном).

Пусть под влиянием внешнего воздействия (нагревания, освещения и т. п.) электрон 1 из связи атомов стал свободным (рис. 195, б). Уход электрона равносилен появлению в области бывшей связи положительного заряда равного по величине заряду электрона. Такой положительный заряд, образующийся при освобождении электрона (при разрыве связи), принято в теории полупроводников называть «дыркой». Итак, одновременно с возникновением свободного электрона образуется дырка. Разорванная связь может быть легко восстановлена за счет любого связанного электрона из соседней связи, например благодаря переходу электрона 8 из связи атомов II—III (рис. 195, в). Перемещение электрона 8 в разрыв связи I—II сопровождается перемещением дырки в связь II—III. Разорванная

Рис. 194

Рис. 195

связь II—III может в свою очередь восстановиться, например за счет перехода связанного электрона 9, сопровождающегося перемещением дырки в связь III—IV (рис. 195, г), и т. д.

Таким образом, при наличии разорванных связей (дырок) в полупроводнике начинаются переходы (перескоки) связанных электронов из одной соседней связи в другую и одновременные переходы дырок в противоположном направлении. В отсутствие внешнего электрического поля эти переходы носят хаотический характер. При наличии поля на хаотическое движение накладывается упорядоченное: связанные электроны перемещаются против поля, дырки — по полю. Упорядоченное движение дырок создает ток в полупроводнике. Проводимость, обусловленная перемещением дырок, называется дырочной, или проводимостью -типа (от слова positive - положительный).

Рис. 196

Прибегая для наглядности к еще большей схематизации, можно представить процессы электронной и дырочной проводимостей посредством рис. 196. Полупроводник находится в электрическом поле напряженностью Электрон, вырвавшийся из атома IV, становится свободным и «безостановочно» движется в направлении, противоположном полю. Это электронная проводимость. Атом лишившийся электрона, становится положительным ионом — дыркой (рис. 196, а). К этому иону присоединяется связанный электрон из соседнего справа нейтрального атома V, в результате чего в атоме V образуется дырка (рис. 196, б). Затем дырку V заполняет связанный электрон из атома VI, образуя в этом атоме дырку (рис. 196, в). Потом дырка образуется в атоме VII и т. д. Эстафетное движение дырок в направлении поля (или, что то же, движение связанных электронов против поля) соответствует дырочной проводимости.

Суммарное движение свободных электронов и дырок образует ток в полупроводнике. Так как освобождение электрона сопровождается появлением дырки, то число свободных электронов в полупроводнике должно равняться числу дырок. Опыт и расчеты показывают, что свободные электроны и дырки перемещаются приблизительно с одинаковой скоростью. Поэтому ток в полупроводнике приблизительно в равной мере обусловлен как электронной, так и дырочной проводимостями. Такая электронно-дырочная проводимость называется собственной проводимостью полупроводника.

Можно привести следующую аналогию электронно-дырочной проводимости, В зале кинотеатра со среднего кресла одного из рядов встает зритель и идет влево вдоль ряда к выходу. На освободившееся кресло пересаживается соседний зритель справа, на его место — следующий сосед справа и т. д.

В результате свободное место перемещается вдоль ряда вправо.

Движение первого зрителя служит аналогом электронной проводимости, пересаживание остальных зрителей — аналогом дырочной проводимости.

В чистых полупроводниках имеет место собственная проводимость. Однако идеально чистых полупроводников в природе нет, а искусственная их очистка от всех примесей крайне сложна (практически невозможна).

Рис. 197

Между тем наличие даже небольшой примеси в полупроводнике оказывает большое влияние на его проводимость, создавая так называемую примесную проводимость полупроводника. Некоторые примеси обогащают полупроводник свободными электронами, вызывая в нем преимущественную электронную проводимость. Такие примеси называются донорными (дающими), а полупроводники — электронными, или полупроводниками -типа. Другие примеси обогащают полупроводник дырками, создавая в нем преимущественную дырочную проводимость. Такие примеси называются акцептора ными (принимающими), а полупроводники — дырочными, или полупроводниками -типа. Поясним сказанное опять-таки на примере германия.

Введем в германий небольшое количество пятивалентного элемента, например мышьяка. Каждый атом мышьяка войдет в связь четырьмя своими внешними электронами с четырьмя соседними атомами германия. Пятый внешний электрон мышьяка окажется «лишним», не участвующим в установлении между атомных связей (рис. 197, а). Под влиянием теплового движения или иных воздействий этот электрон легко может стать свободным. Практически каждый атом введенного мышьяка создает в полупроводнике по одному свободному электрону (0,0001% примеси мышьяка увеличивает число свободных электронов в германии примерно в 1000 раз!). Существенно, что при этом число дырок не увеличивается, так как освобождение «лишних» электронов не разрывает междуатомных связей. В результате германий обогащается свободными электронами; примесная электронная

проводимость становится в нем основной. Германий превращается в примесный электронный полупроводник.

Введем теперь в германий небольшое количество трехвалентного элемента, например индия. Каждый атом индия прочно соединится тремя своими внешними электронами с тремя соседними атомами германия. Связь с четвертым атомом германия окажется непрочной, так как у индия нет четвертого внешнего электрона (рис. 197, б). Поэтому каждый атом введенного индия создаст в полупроводнике одной дырке. Существенно, что при этом число свободных электронов не увеличится. В результате германий обогатится дырками; примесная дырочная проводимость станет в нем основной. Германий превратится в примесный дырочный полупроводник.

Таким образом, путем введения в полупроводник малых доз соответствующих примесей можно в широких пределах изменять величину и даже тип проводимости полупроводника. Изготовление примесных полупроводников с наперед заданными электрическими свойствами является важнейшей отраслью производства полупроводников.