Свойства полупроводников, влияние примесей на проводимость

Большинство тел в природе являются полупроводниками. К полупроводникам относятся такие вещества как кремний, германий, селен, теллур, большинство оксидов металлов и все разнообразие руд и минералов, встречающихся в природе. Само название «полупроводники» говорит о том, что они по своим свойствам проводить ток, то есть по величине электропроводности, занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами (не проводниками). У металлов электропроводность равна 10⁴ − 10⁵ Ом^-1 · См^-1, а у диэлектриков 10^-14 – 10^-18 Ом^-1 См^-1.

Помимо количественного имеются еще и качественное различие. Характерной особенностью полупроводников является то, что их электрические свойства очень неустойчивы и в значительной мере зависят от внешних воздействий. Электропроводность полупроводников меняется под влиянием таких факторов, как наличие примесей, электрическое поле, температура, освещенность. Эти свойства и обусловили широкое применение полупроводников.

Полупроводники отличаются от металлов не только меньшей электропроводностью, но и имеют зависимость от температуры: полупроводники с повышением температуры обычно уменьшают свою проводимость, а вблизи абсолютного нуля становятся изоляторами. Наряду с отличиями имеются и сходства: механизм растекания и диффузии электронов в полупроводниках не отличается от наведения зарядов в металлах.

Основными материалами для изготовления полупроводниковых приборов являются кремний (Ѕ_i) и германий (J_e). Большая механическая прочность и химическая устойчивость этих материалов обеспечивают надежность работы изготавливаемых полупроводниковых приборов, а также большой срок их службы.

Наиболее разработана технология получения германия и кремния, поэтому их кристаллы широко применяются при производстве полупроводниковых приборов.

Если исходный материал тщательно очищен от посторонних примесей веществ, достаточно бывает ничтожно мало примесных атомов (тысячных или миллионных долей процента, чтобы изменить характер проводимости). Поэтому, чтобы получить полупроводник с определенной проводимостью, его необходимо вначале тщательно очистить от примесей. Содержание примесей в германии, например, может быть доведено до 10^-6 – 10^-7 %, при этом удельное сопротивление составляет около 100 Ом · См.

Разная величина проводимости веществ обусловлена разной величиной энергии, которую необходимо затратить на то, чтобы освободить валентный электрон от связей с атомами, расположенными в узлах кристаллической решетки молекул вещества.

Энергия валентным электронам атомов вещества может быть сообщена за счет воздействия тепловых квантов (фононов), излучения при тепловых колебаниях решетки, световых квантов (фотонов), сильного электрического поля, γ – квантов или потоков атомарных частиц.

Уход электрона из валентной зоны приводит к образованию в ней незаполненного энергетического уровня. Такое вакантное энергетическое состояние носит название «дырка». Отсутствие электрона в валентной зоне равносильно наличию в данном месте положительного заряда, поэтому такой заряд принимают дырке. В технической литературе дырки обозначают буквой р, а электроны буквой n.

Валентные электроны соседних атомов в присутствии внешнего электрического поля могут переходить на эти свободные уровни, создавая дырки в другом месте. Таким образом, движение дырки является лишь формальным результатом фактического перемещения электронов по валентным уровням.

Электропроводность, обусловленную движением свободных электронов, называют электронной, а электропроводимость, обусловленную движением дырок – дырочной. Явление одновременного существования электронной и дырочной проводимости носит название собственной проводимости кристалла. В кристалле германия с собственной проводимостью концепции электронов и дырок равна n = p 2,5 10¹³ на 1 см³ (при комнатной температуре). При неравномерной концентрации электронов и дырок (наличие градиента концентрации) и при отсутствии внешнего поля они перемещаются по законам диффузии, переходя из области больших концентрации в область меньших концентрации. Это движение зарядов и образует диффузионный ток I_диф.

Если в полупроводнике с помощью внешнего источника Э.Д.С. создать электрическое поле, то хаотическое движение носителей заряда упорядочится, то есть дырки и электроны начнут двигаться в направлениях, совпадающих с направлениями электрического поля, а электроны в противоположном. Возникнут два встречно направленных потока носителей заряда. Такое движение зарядов называют дрейфом, а созданный их движением ток – дрейфовым током I_др.

В зависимости от того, как создается ток, различают его электронную и дырочную составляющую.