Полупроводниками (seicomnductor) называют вещества, которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между металлами (проводниками) и диэлектриками (изоляторами).
К классу полупроводников принадлежат многие из известных веществ. Ими могут быть как химически чистые вещества, так и различные соединения и даже сплавы некоторых металлов. По структуре эти вещества могут быть кристаллическими или аморфными, однако, как правило, для изготовления полупроводниковых приборов используют вещества с кристаллической структурой. Исходным материалом наиболее часто служит германий Ge или кремний Si, а также арсенид галлия GaAs - полупроводник, являющийся химическим соединением.
При качественном анализе механизма проводимости полупроводников обычно используется плоскостной моделью кристаллической решетки.
На (рис.39-а) показана модель решетки химически чистого полупроводника - германия, каждый атом которого имеет на внешней оболочке четыре валентных электрона. Например для атома I это электроны 1, 2, 3, 4. При образовании кристалла каждый валентный электрон в веществе начинает двигаться по орбите, окружающей не только свой атом, но и соседний. Таким образом, каждая соседняя пара атомов имеет общую пару электронов, движущихся по двум общим орбитам. Такая связь атомов называется ковалентной. В целом судя по представленной модели, каждый атом связан с соседними атомами восемью орбитами, по которым движутся четыре пары электронов. На (рис.39-а) эти связи изображены тонкими прямыми линиями. На примере для атома I и II общие электроны 1 и 5, а для атомов I и III - это электроны 2 и 9 и т.д.
В химически чистых полупроводниках при температуре абсолютного нуля свободных носителей зарядов нет. С повышением температуры валентные электроны приобретают дополнительную тепловую энергию и некоторые из них (электроны с наибольшими скоростями хаотического теплового движения) могут, разорвать связь с атомами и стать свободными носителями зарядов. Атом, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом. Эти ионы не являются носителями зарядов, так как они жестко связаны межатомными силами.
При отрыве электрона от атома образуется так называемая дырка - разорванная валентная связь в атоме (рис.39-б). Дырке приписывается положительный заряд, равный по значению заряду электрона. Эта вакантная валентная связь может быть вновь заполнена электроном, оторванным от соседнего атома под действием электрического поля. При заполнении дырки электроном данный атом становится электрически нейтральным, а у соседнего атома, потерявший электрон, появляется дырка, которая, в свою очередь, также может быть заполнена электроном от следующего атома и т.д. Таким образом, процесс перехода электрона от нейтрального атома к соседнему атому с дыркой под влиянием положительной разности потенциалов можно представить как процесс перехода дырки от положительного иона к нейтральному атому, т.е. как будто условно-положительный заряд - дырка - движется в сторону, противоположную движению электрона.
Электропроводность, при которой электрон последовательно занимает дырку у рядом расположенного атома, т.е. в каждый момент времени в веществе преобладает "свободные" дырки, которые переходят от одного соседнего атома к другому, называется дырочной или электропроводностью p-типа (positive). Электропроводность, обусловленная движением свободных (избыточных) электронов между узлами кристаллической решетки, называется электронной или электропроводностью n-типа (negative).
Возникновение в полупроводнике свободных электронов и дырок при повышении температуры называется термогенерацией носителей зарядов, а процесс возвращения свободных электронов на место разорванной валентной связи - рекомбинацией носителей зарядов. При определенных условиях между этими двумя процессами устанавливается динамическое равновесие, т.е. концентрация дырок и электронов в заданном объеме становится постоянной, а их количество - одинаковым. Дырки и электроны в полупроводнике без примесей обеспечивают собственную электропроводность, которая складывается из электропроводности p-типа и n-типа. Последняя обычно преобладает, так как электроны более подвижны, чем дырки, оттого, что дырка может перемещаться только между соседними атомами. Концентрация носителей зарядов в чистых полупроводниках мала. Например, для германия при обычной температуре число свободных носителей зарядов составляет примерно 10-8 степени % от общего числа атомов (в металлах число свободных электронов примерно равно числу атомов). Поэтому удельная электропроводность полупроводников значительно меньше, чем у металлов. Появление дополнительных носителей зарядов в полупроводнике с повышением температуры и разрыв валентных связей приводят к уменьшению его сопротивления, а в металле с ростом температуры сопротивление обычно увеличивается. Уменьшение сопротивления полупроводника может быть вызвано также другими внешними факторами, например воздействие излучений. Но особенно сильно влияет на свойство полупроводников наличие примесей других веществ.
Как уже упоминалось выше, в полупроводниковых приборах практически не используются химически чистые полупроводники, а применяются главным образом полупроводники с примесями, добавление которых приводит к существенному увеличению числа носителей зарядов. Электропроводность таких полупроводников называется примесной.
Рассмотрим механизм образование зарядов, воспользовавшись снова плоскостной моделью кристаллической решетки. Если в четырехвалентный германий добавить пятивалентное вещество, например сурьму, то пятивалентный атом сурьмы четырьмя валентными электронами образует ковалентную связь с четырьмя соседними атомами германия, а пятый валентный электрон атома сурьмы остается "лишним" и может быть достаточно легко отделен от атома. Такие полупроводники обладают электропроводностью n-типа. Примеси, которые отдают исходному полупроводнику свои электроны, называют донорными.
Добавим в четырехвалентный германий трех валентный индий. В этом случае при образовании решетки трехвалентный атом индия для установления ковалентной связи с четырьмя соседними атомами германия оторвет один электрон от близлежащего атома германия. Атом индия приобретают отрицательный заряд, а на месте оторванного электрона возникает дырка. Такие примеси, добавление которых к полупроводнику приводит к появлению дырок, называют акцепторными (забирающими электроны), а полученный полупроводник с дырочной электропроводностью - полупроводником p-типа.
В примесных полупроводниках концентрация носителей зарядов всегда превышает (в 100 раз и более) концентрация носителей зарядов в исходного вещества. Поэтому удельное электрическое сопротивление примесного полупроводника всегда значительно меньше, чем исходного химически чистого. Однако даже в примесном полупроводнике число носителей зарядов намного меньше числа атомов; они составляют не более 10-4 степени % от общего числа атомов.
Носители зарядов, преобладающие в данном полупроводнике, называют основными; носители зарядов, концентрация которых в данном полупроводнике меньше концентрация основных носителей, называют неосновными. Для полупроводника n-типа основные носители заряда - электроны, а неосновные дырки; для полупроводника p-типа основные носители - дырки, неосновные - электроны.
Если полупроводники подключить к источнику тока, носители заряда, имеющиеся в нем, начинают перемещаться направленно: дырки - к отрицательному полюсу, электроны - к положительному, т.е. возникают электронный и дырочный дрейфовые токи, образующий общий ток через полупроводник (рис.40).
Дырки перемещаются только в полупроводнике, причем только между соседними атомами. У положительного полюса дырка возникает за счет отрыва электрона от атома и ухода его во внешнюю цепь. Во внешней цепи ток образуется только за счет электронов проводимости. У отрицательного полюса дырка рекомбинирует с электроном, поступившим из внешней цепи.
При подаче на полупроводник p-типа напряжения подавляющая часть тока образована дырками - основными носителями. В полупроводнике с электронной проводимостью ток образуется главным образом электронами. При смене полярности напряжения изменяется также направление тока.
Направленное движение носителей зарядов может вызываться не только электрическим полем, но и разной их концентрацией в объеме вещества. Процесс направленного движения носителей зарядов, вызванный их неравномерной концентрацией, носит название диффузии носителей зарядов, а соответствующий ток называют диффузионным в отличие от дрейфового тока.
