Электропроводность полупроводника

При температуре, близкой к абсолютному нулю, полупроводник ведет себя как абсолютный непроводник, потому что в нем нет свободных электронов. Но при повышении температуры связь валентных электронов с атомными ядрами ослабевает и некоторые из них вследствие теплового движения могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится свободным (на рис. 78 — черная точка), а там, где он был до этого, обра­зуется пустое место. Это пустое место в межатомной связи полупроводника условно называют «д ы р к о й» (на рис. 78 — разорвавшаяся линия электрона). Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем свободных элек­тронов и дырок. Таким образом, образование в массе полупроводника дырки связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а возникновение дырки соответствует появлению положительного электрического заряда, рав­ного отрицательному заряду электрона.

А теперь рассмотри рис. 79. На нем схематично изображено явление воз­никновения тока в полупроводнике. Причиной появления тока служит напря­жение, приложенное к полупроводнику (на рис. ,79 напряжения символизируют знаки « + » и «—»). Вследствие тепловых явлений во всей массе полупровод­ника высвобождается из межатомных связей некоторое количество электронов {на рис. 79 они обозначены точками со стрелками). Электроны, освободив­шиеся вблизи положительного полюса источника напряжения, притягиваются этим полюсом и уходят из массы полупроводника, оставляя после себя дырки.

Электроны, ушедшие из межатомных связей, на некотором удалении от положительного полюса тоже притягиваются им и движутся в его сторону. Но, встретив на своем пути дырки, электроны как бы «впрыгивают» в них (рис. 79, а) — происходит заполнение некоторых межатомных связей.

Рис. 79. Схема движения электронов и дырок в полупроводнике.

А ближние к отрицательному полюсу дырки заполняются другими электронами, вырвав­шимися из атомов, расположенных еще ближе к отрицательному полюсу (рис. 79, б). Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс продолжается: нарушаются одни межатомные связи — из них уходят валентные электроны, возникают дырки — и заполняются другие межатомные связи—в дырки «впрыгивают» электроны, освободившиеся из каких-то других меж­атомных связей (рис. 79, б — г).

Рассматривая эти схемы, ты, конечно, заметил: электроны движутся в на­правлении от отрицательного полюса источника напряжения к положитель­ному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному. Это явление можно сравнить с такой хорошо знакомой тебе картиной. Стоит пионерский строй. Несколько ребят вышло из строя: образовались пустые места — дырки. Вожатый подает команду: «Сомкнуть строй!». Ребята по очереди делают шаг вправо, заполняя пустые места. Что получается? Ребята один за другим перемещаются к правому флангу, а пустые места — в сторону левого фланга.

Замечу: в отсутствие внешних электрических сил при температуре выше абсолютного нуля непрерывно возникают и исчезают свободные электроны и дырки, но в этих условиях они движутся хаотически в разные стороны и не уходят за пределы полупроводника.

В чистом полупроводнике число высвобождающихся в каждый момент времени электронов равно числу образующихся при этом дырок. Общее же их число при комнатной температуре относительно невелико. Поэтому электро­проводность такого полупроводника, называемая собственной, мала. Иными словами, такой полупроводник оказывает электрическому току довольно большое сопротивление. Но если в чистый полупроводник добавить даже ничтожное количество примеси в виде атомов других элементов, электро­проводность его резко повысится. При этом в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электрон­ной или дырочной.

Чем различаются эти два типа электропроводности?

Если какой-либо атом в кристалле полупроводника заменить атомом сурьмы, имеющим во внешнем слое электронной оболочки пять валентных электро­нов, этот атом-«пришелец» четырьмя электронами свяжется с четырьмя сосед­ними атомами полупроводника. Пятый же валентный электрон атома сурьмы окажется «лишним» и станет свободным. Чем больше в полупроводник будет введено атомов сурьмы, тем больше в его массе окажется свободных элек­тронов. Следовательно, полупроводник с примесью сурьмы приближается по своим свойствам к металлу: для того чтобы через него проходил электри­ческий ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи. Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупровод­никами с электронной проводимостью. Их называют также полу­проводниками с проводимостью n-типа или, еще короче, полупроводниками n -типа. Здесь латинская буква n — начало латинского слова «negative» (негатив), что значит «отрицательный». Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что в полупроводнике n -типа основными носителями тока явля­ются отрицательные заряды, т. е. электроны.

Совсем иная картина получится, если в полупроводник ввести атомы с тремя валентными электронами, например атомы индия. Каждый атом металла индия своими тремя электронами заполнит связи только с тремя соседними атомами полупроводника, а для заполнения связи с четвертым атомом у него не хватает одного электрона. Образуется дырка. Она, конечно, может запол­ниться каким-либо электроном, вырвавшимся из валентной связи с другими атомами полупроводника. Однако независимо от того, где будут дырки, в массе полупроводника с примесью индия не будет хватать электронов для их запол­нения. И чем больше будет введено в полупроводник примесных атомов индия, тем больше в нем будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике электроны могли перемещаться, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Вырвавшиеся из них электроны или же поступившие в полупроводник электроны извне движутся от дырки к дырке. А во всей массе полупроводника в любой момент времени число дырок будет больше общего числа свободных электронов. Полупровод­ники, обладающие таким свойством, называют полупроводниками с дырочной проводимостью или полупроводниками p-типа. Латинская буква р — первая буква латинского слова «positive» (позитив), что значит «поло­жительный». Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что явление электрического тока в массе полупроводника р-типа сопровожда­ется непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов — дырок. Перемещаясь в массе полупроводника, дырки как бы являются носите­лями тока:

Полупроводники р-типа, так же как и полупроводники n-типа, обладают во много раз лучшей электропроводностью по сранению с чистыми полупро­водниками.

Надо сказать, что практически не существует как совершенно чистых полу­проводников, так и полупроводников с абсолютной проводимостью n-типа или p-типа. В полупроводнике с примесью индия обязательно есть небольшое коли­чество атомов некоторых других элементов, создающих электронную прово­димость, а в полупроводнике с примесью сурьмы есть атомы элементов, соз­дающих в нем дырочную проводимость. Например, в полупроводнике, имеющем в целом проводимость n-типа, есть дырки, которые могут заполняться сво­бодными электронами примесных атомов сурьмы. Вследствие этого электро­

проводность полупроводника несколько ухудшится, но в целом он сохранит электронную проводимость. Аналогичное явление будет иметь место, если в полупроводник с дырочным характером электропроводности попадут атомы индия. Поэтому к полупроводникам л-типа относят такие полупроводники, в которых основными носителями тока являются электроны (преобладает электронная проводимость), а к полупрозодникам р-типа — полупроводники, в которых основными носителями тока являются дырки (преобладает дырочная проводимость).

Теперь, когда ты имеешь некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, тебе нетрудно будет пенять принцип действия полупровод­никовых приборов.

Начнем с предшественников транзистора — полупроводниковых диодов.

В. Г. Борисов. Юный Радиолюбитель