ПОЛУПРОВОДНИКИ

Внутренний и внешний полупроводник: определение, типы p и n

В статье узнаете что такое внешний и внутренний полупроводник, его типы p и n, какие материалы используются для полупроводников и энергетические зоны внешних полупроводников.

Полупроводник, любой из класса кристаллических твердых тел с промежуточной электрической проводимостью между проводником и изолятором. Полупроводники используются в производстве различных видов электронных устройств, включая диоды, транзисторы и интегральные схемы.

Такие устройства нашли широкое применение из-за их компактности, надежности, энергоэффективности и низкой стоимости. В качестве дискретных компонентов они нашли применение в силовых устройствах, оптических датчиках и излучателях света, включая твердотельные лазеры.

Они имеют широкий спектр возможностей по управлению током и напряжением и, что более важно, пригодны для интеграции в сложные, но легко изготавливаемые микроэлектронные схемы.

Они являются и будут в обозримом будущем ключевыми элементами для большинства электронных систем, обслуживающих приложения для связи, обработки сигналов, вычислений и управления как на потребительском, так и на промышленном рынках.

Полупроводниковые Материалы

Твердотельные материалы обычно группируются в три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками .

) На рисунке показана проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1 / σ), связанные с некоторыми важными материалами в каждом из трех классов.

Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую удельную проводимость, порядка от 10 -18 до 10 -10 сименс на сантиметр; и проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость, обычно от 10 4 до 10 6 сименс / см.

 Проводимости полупроводников находятся между этими крайними значениями и обычно чувствительны к температуре, освещенности, магнитным полям и незначительным количествам примесных атомов. Например, добавление около 10 атомов бора (известного как легирующая добавка) на миллион атомов кремния может увеличить свою электрическую проводимость в тысячу раз (частично учитывая большую изменчивость, показанную на предыдущем рисунке).

 Арсенид галлия (GaAs), например, представляет собой бинарное соединение III-V, которое представляет собой комбинацию галлия (Ga) из столбца III и мышьяка(As) из столбца V. Тройные соединения могут образовываться элементами из трех различных столбцов — например, теллурид индия ртути (HgIn 2 Te 4), соединение II-III-VI.

 Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, таких как арсенид алюминия-галлия (Al x Ga 1 — xAs), который является тройным соединением III-V, где и Al, и Ga взяты из столбца III, а индекс xсвязан к композиции из двух элементов из 100 — процентной Al ( х = 1) до 100 процентов Ga ( х = 0).

Чистый кремний является наиболее важным материалом для применения в интегральных схемах, а бинарные и тройные соединения III-V наиболее важны для излучения света.

Внешние полупроводники

После некоторых экспериментов ученые наблюдали увеличение проводимости полупроводника, когда к нему добавляли небольшое количество примеси. Эти материалы представляют собой внешние полупроводники или примесные полупроводники. Другой термин для этих материалов — «Легированный полупроводник». В качестве примесей используются легирующие примеси.

Важным условием легирования является то, что количество добавляемой примеси не должно изменять решеточную структуру полупроводника. Чтобы достичь этого, размеры атомов легирующей примеси и полупроводника должны быть одинаковыми.

Типы легирующих примесей в внешних полупроводниках

Кристаллы кремния и германия легируются с использованием двух типов легирующих примесей:

1. Пятивалентный (валентность 5); например, мышьяк (As), сурьма (Sb), фосфор (P) и т. д.
2. Трехвалентный (валентность 3); например, индий (In), бор (B), алюминий (Al) и т. д.

Причина использования этих легирующих примесей состоит в том, что они имеют атомы такого же размера, что и чистый полупроводник. И Si, и Ge принадлежат к четвертой группе в периодической таблице.

 Следовательно, выбор допантов из третьей и пятой группы. Это гарантирует, что размер атомов мало чем отличается от четвертой группы. Отсюда и трехвалентный и пятивалентный выбор.

 Эти присадки дают начало двум типам полупроводников:

N тип полупроводника

Когда мы добавляем небольшое количество пятивалентной примеси к чистому полупроводнику, тогда образуется полупроводниковый кристалл, известный как полупроводник N-типа.

Сочетание примеси пятивалентного типа с чистым полупроводником обеспечивает наличие большого количества свободных электронов в полупроводниковом кристалле N-типа. Это означает, что полупроводники N-типа имеют большую концентрацию электронов. Примерами пятивалентных примесей являются мышьяк и сурьма.

Пентавалентные примеси также называют «примесью Донара». Их называют так, потому что они жертвуют / поставляют свободные электроны чистому полупроводнику, чтобы сделать его полупроводником N-типа.

Знаете ли вы, почему полупроводник, который вырабатывается донарными примесями, называется полупроводником N-типа? N означает отрицательно заряженный? Полупроводник N-типа не обладает отрицательным зарядом.

 Их называют полупроводниками N-типа, потому что большинство носителей заряда, присутствующих в полупроводниках этого типа, вызывающих поток тока, являются свободными электронами, которые заряжены отрицательно.

Полупроводник типа P

Когда мы добавляем незначительное количество трехвалентной примеси к чистому полупроводнику, тогда образуется полупроводниковый кристалл, который известен как P-тип полупроводника.

Комбинация трехвалентной примеси с чистым полупроводником обеспечивает наличие большого количества дырок в полупроводниковом кристалле P-типа. Примерами трехвалентных примесей являются галлий и индий. Такие примеси, которые производят полупроводники P-типа, известны как акцепторные примеси, потому что созданные дырки могут принимать электроны.

Они называются полупроводниками P-типа, потому что большинство носителей заряда, присутствующих в полупроводниках этого типа, вызывающих протекание тока, представляют собой дырки с положительным зарядом. В противоположность полупроводникам N-типа полупроводники P-типа имеют большую концентрацию дырок, чем концентрацию электронов.

Энергетические зоны внешних полупроводников

В внешних полупроводниках изменение температуры окружающей среды приводит к образованию неосновных носителей заряда. Кроме того, атомы легирующей примеси являются основными носителями. Во время рекомбинации большинство носителей уничтожают большинство этих неосновных носителей. Это приводит к снижению концентрации неосновных носителей.

Следовательно, это влияет на структуру энергетической зоны полупроводника. В таких полупроводниках существуют дополнительные энергетические состояния:

• Энергетическое состояние за счет донорной примеси (ED)
• Энергетическое состояние за счет акцепторной примеси (EA)

Приведенная выше диаграмма энергетических зон относится к полупроводнику Si n-типа. Здесь вы можете видеть, что уровень энергии донора (ED) ниже, чем у зоны проводимости (EC).

 Следовательно, электроны могут перемещаться в зону проводимости с минимальной энергией (~ 0,01 эВ). Кроме того, при комнатной температуре большинство донорных атомов и очень мало атомов Si ионизируются.

 Следовательно, в зоне проводимости больше всего электронов от донорных примесей.

Приведенная выше диаграмма энергетических зон представляет собой полупроводник Si-типа p-типа. Здесь вы можете видеть, что уровень энергии акцептора (EA) выше, чем у валентной зоны (EV). Следовательно, электроны могут перемещаться из валентной зоны на уровень Ea с минимальной энергией. Также при комнатной температуре большинство акцепторных атомов ионизируются.

Это оставляет дыры в валентной зоне. Следовательно, валентная зона имеет большинство дырок от примесей. Концентрация электронов и дырок в полупроводнике в тепловом равновесии составляет:

n e × n h = n i 2

Внутренний Полупроводник

Внутренний полупроводник — это самая чистая форма полупроводника, элементная, без каких-либо примесей. Естественно доступные элементы, такие как кремний и германий, являются лучшими примерами внутреннего полупроводника. Давайте узнаем их более подробно.

Структура решетки элементов внутреннего полупроводника

Их также называют алмазоподобными структурами. В таких структурах каждый атом окружен четырьмя соседними атомами. Теперь и Si, и Ge имеют четыре валентных электрона, и в кристаллической структуре каждый атом делит один из своих валентных электронов с каждым из своих четырех соседей.

Кроме того, он берет один электрон от каждого из своих соседей. Эта общая пара электронов называется ковалентной связью или валентной связью. Вот как структура Si или Ge выглядит в двумерном измерении с акцентом на ковалентную связь:

Также на изображении выше показана структура со всеми неповрежденными связями. Это возможно только при низких температурах. Когда температура увеличивается и больше энергии становится доступным для валентных электронов, они разрушаются, что приводит к увеличению проводимости элемента.

Теперь тепловая энергия ионизирует только несколько атомов. Эта ионизация создает вакансию в связи. Когда электрон с зарядом -q возбуждается за счет тепловой энергии, он освобождается от связи. Это оставляет вакансию там с эффективным зарядом + q. Эта вакансия с эффективным положительным электронным зарядом является дырой.

Дырка также ведет себя как свободная частица, но с положительным зарядом. В собственных полупроводниках число свободных электронов равно числу дырок и называется внутренней концентрацией носителей.

Внутренний полупроводник — движение отверстий

Другое интересное свойство полупроводников состоит в том, что, как и электроны, дырки тоже движутся. Рассмотрим следующее изображение:

На изображении выше вы можете видеть, что электрон, будучи возбужденным из-за тепловой энергии, отрывается от связи, генерируя свободный электрон.

(Место1) В месте, где электрон высвобождается, создается дырка. Теперь представьте, что электрон из Места 2, как показано на рисунке, прыгает в дыру, созданную в Месте 1.

Теперь дыра переместится из Места 1 в Место 2, как показано на рисунке ниже:

Важно отметить, что электрон, освобожденный из Зоны 1, не участвует в движении дыры. Он движется независимо, как электрон проводимости, вносящий вклад в электронный ток (Ie) под воздействием электрического поля. Кроме того, движение дыры на самом деле является движением связанных электронов.

I = Ie + Ih

Еще одна важная вещь, которую следует помнить, это то, что помимо процесса генерации свободных электронов и дырок, процесс рекомбинации происходит одновременно. В этом процессе электроны рекомбинируют с дырками. В состоянии равновесия скорость генерации равна скорости рекомбинации.

Собственный полупроводник при T = 0K

При T = 0K собственный полупроводник будет вести себя как изолятор.

Конструктивно существует небольшая энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости в полупроводнике. Когда температура низкая, электроны не достаточно возбуждены, чтобы перейти в состояние с более высокой энергией. Изображение ниже объясняет, как при T = 0K электроны остаются в валентной зоне, и движение в зону проводимости отсутствует.

При повышении температуры при Т> 0К некоторые электроны возбуждаются. Эти электроны прыгают от валентности к зоне проводимости. Вот как это будет выглядеть:

Источник: https://meanders.ru/poluprovodnik.shtml

Полупроводники – что это такое

Полупроводники это вещества, которые обладают промежуточными свойствами проводников и диэлектриков в отношении удельной проводимости. Сопротивление полупроводников характеризуется следующими особенностями:

• Сильная выраженная зависимость от количества и состава примесей в веществе;
• Повышение температуры вызывает уменьшение сопротивления.

Полупроводниковые элементы

Важно! При температуре, стремящейся к абсолютному нулю, все полупроводники становятся диэлектриками.

Механизм электрической проводимости

Проводимость таких материалов, как полупроводники, имеет иной характер, чем у обычных проводников. Главное условие возникновения тока в материалах – наличие достаточного количества свободных электронов. Кристаллическая структура полупроводниковых материалов характеризуется ковалентными химическими связями, когда каждый электрон ядра связан с двумя рядом стоящими атомами.

Электроны веществ участвуют в переносе заряда при получении некоторой энергии. Работа энергии для полупроводников имеет значение порядка единиц электрон-вольт (эВ). У проводников это значение меньше, у диэлектриков, соответственно, больше.

Дырка

Важная особенность рассматриваемых материалов – они могут обладать особым типом проводимости – дырочной. В электронной оболочке атома в момент отрыва и ухода электрона образуется свободное место, которое принято именовать дыркой. Соответственно, дырка имеет положительный заряд, направление движения противоположно потоку электронов.

Обратите внимание! Подвижность электронов выше, чем у дырок.

Электронная и дырочная проводимость

Энергетические зоны

Все вещества характеризуются энергетическими зонами электронов оболочки атома. Таких зон три:

• Зона проводимости;
• Запрещенная зона;
• Зона валентности.

Название запрещенной зоны говорит о том, что электрон находиться в ней не может. Поэтому для возникновения тока электрон должен переместиться в зону проводимости из стабильной валентной зоны. Чем шире запрещенная зона, тем свойства материала приближаются к диэлектрикам.

Подвижность

При воздействии электрического поля в материалах начинается движение носителей заряда. В рассматриваемом случае это электроны и дырки. Зависимость между скоростью движения и величиной напряженности электрического поля при отсутствии влияния нагрева называется подвижностью. Рост числа взаимных столкновений является причиной того, что при увеличении концентрации подвижность падает.

Собственная плотность

Плотность тока – что это такое и в чем измеряется

Наличие запрещенной зоны не служит препятствием к образованию собственных носителей заряда. Плотность электронов и дырок определяется сложной зависимостью, которая показывает, что собственная плотность заряженных частиц растет при увеличении температуры.

Виды полупроводников

Множество веществ, к которым можно отнести полупроводники, классифицируется по величине и характеру проводимости.

По характеру проводимости

Что такое электрическое сопротивление

В силу того, используется чистое вещество либо, в которое внесены примеси, проводимость может иметь различный характер.

Собственная проводимость

В силу разных причин в чистых материалах могут появляться свободные электроны и дырки. В результате образуется собственная проводимость.

Важно! Собственная проводимость характеризуется равной концентрацией дырок и электронов.

Собственная проводимость германия

Примесная проводимость

Большая часть полупроводников, образованных четырехвалентными атомами, имеет собственную проводимость. При целенаправленном внесении примесей веществ третьей или пятой валентности получаются кристаллы, обладающие примесной проводимостью, в которых количество дырок и электронов прямо зависит от типа и количества примесных атомов на единицу объема чистого вещества.

По виду проводимости

Выше было рассмотрено, что в полупроводниках в процессе переноса заряда участвуют не только «традиционные» электроны, но и условные положительные заряды – дырки. Поэтому полупроводниковые материалы имеют два типа проводимости.

Электронные полупроводники (n-типа)

Присутствие в четырехвалентном веществе пятивалентной примеси приводит к тому, что пятый электрон примеси вынужден переместиться на более высокую орбиту, в результате чего на его освобождение требуется небольшое количество энергии.

Такие примесные полупроводники называют веществами n-типа, от слова «negative» – отрицательный. Примеси в данном случае называют донорными, так как они способствуют появлению в веществе свободных электронов.

Дырочные полупроводники (р-типа)

При добавлении трехвалентной примеси возникает противоположная ситуация, когда в кристаллической решетке четырехвалентного материала примесь забирает недостающий электрон, а в основном веществе образуется дырка. Такие примеси именуют акцепторными, а примесный полупроводник, соответственно, называется p-типа, поскольку «positive» – положительный.

Использование в радиотехнике

Электрическое поле — что это такое, понятие в физике

Каждый специалист, техник, обладающий познаниями в электронике, знает, что абсолютно вся современная электроника основана на применении полупроводниковых элементов. Любой аналоговый или цифровой (дискретный) прибор имеет в своей основе схемы, построенные с применением диодов и транзисторов.

Полупроводниковый диод

Одно из первых устройств, использующих свойства полупроводимости, – это полупроводниковый диод. Конструкция заключается в соединении пары полупроводников с разными типами проводимости.

В результате физических процессов движения электронов и дырок на границе веществ возникает электрическое поле, и образуется так называемый p-n переход.

P-n переход обладает свойством односторонней проводимости, то есть ток через диод возникает только при подключении p-области (анода) к полюсу источника напряжения, а n-области (катода) – к минусу.

Вольт-амперная характеристика диода

В обратной полярности ток также имеется, но его величина, по сравнению с прямым, намного меньше. Стабилитрон – вид диода, основная область его работы находится на обратной ветви характеристики. Параметр p-n перехода подобран таким образом, что в узкой области обратного тока напряжение на стабилитроне практически не меняется.

Первый диод – детектор, использовался еще в то время, когда теория полупроводников находилась в зачаточном состоянии.

Транзистор

Транзистор, или, как раннее его называли, триод, имеет две области из материала с одинаковой проводимостью и тонкую область полупроводника с другой. Принцип работы транзистора заключается в том, что малый ток в тонкой области, называемой базой, может управлять гораздо большим током через другие области, соответственно, коллектор и эмиттер.

В зависимости от схемы включения, транзистор может иметь различное назначение: как усилительный, генераторный и преобразовательный полупроводниковый элемент.

Применение полупроводников не ограничивается вышеперечисленными областями. Существуют изделия с тремя и более p-n переходами или вообще без них. Варистор – резистор с сопротивлением, зависящим от величины протекающего тока, тоже полупроводниковый элемент.

Типы полупроводников в периодической системе элементов

В периодической таблице химэлементов полупроводники сосредоточены в периодах со 2-го по 6-й. Их делят на такие типы:

• Одноэлементные. Собственный полупроводник обычно принадлежит IV группе, реже используются элементы из других групп;
• Сложные – двух и более элементные.

Обратите внимание! Свойства полупроводниковых материалов характеризуются тем, что при увеличении номера группы ширина запрещенной зоны уменьшается.

Физические свойства и применение

Сильная зависимость собственной проводимости от значения температуры является основным физическим свойством полупроводников. Главным образом это выражается тем, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, наблюдается полное отсутствие свободных носителей.

Некоторые вещества обладают оптическими свойствами. К примеру, простой чистый кремний используется в производстве солнечных батарей, сложные соединения, в особенности, арсенид галлия, применяются для изготовления светодиодов. Полупроводниковый лазер имеет малые габариты и высокие технические параметры, что позволило воплотить в жизнь оптоволоконные средства коммуникации.

Легирование

Характеристика полупроводника в сильной степени зависит от его чистоты. Выращивая в особых условиях сверхчистые монокристаллы вещества, необходимые свойства придают при помощи легирования (введения в состав донорных или акцепторных примесей).

Методы получения

Для выращивания монокристаллов высокой чистоты используют два метода:

• Метод Чохральского, при котором монокристалл выращивают из расплава вещества;
• Зонная плавка, когда очистка образца производится путем расплавления небольшого участка с постепенным продвижением зоны расплава подвижной индукционной катушкой.

Также физики используют методики химического и физического осаждения, которые позволяют создавать тонкие слои вещества вплоть до слоев в одну молекулу толщиной.

Оптика полупроводников

Многие полупроводники обладают оптическими свойствами, в частности, фотопроводимостью, то есть свойством изменения электрического сопротивления под воздействием электромагнитного излучения.

В оптоэлектронике наиболее часто используются такие материалы, которые поглощают излучение в том случае, когда ширина запрещенной зоны меньше энергии кванта. Основной материал оптоэлектроники – арсенид галлия.

Список полупроводников

Полупроводники примеры которых будут рассмотрены ниже, нашли самое широкое распространение. Группы обозначаются буквами с указанием валентности. Первый материал обозначается буквой «А», второй – буквой «В». Для упрощения буквенные символы иногда опускают, оставляя только валентное число. Далее приведен краткий перечень распространенных материалов.

Группа IV

• Германий;
• Кремний;
• Карбид кремния.

Группа III-V

Арсенид, фосфид, нитрид индия и галлия. Также сюда входит трехкомпонентный полупроводник арсенид галлия-индия.

Группа II-VI

Селенид, сульфид, теллурид цинка и кадмия.

Группа I-VII

Единственное вещество – хлорид мели.

Группа IV-VI

Сульфид, теллурид свинца и олова.

Группа II-V

• Фосфид цинка;
• Антимонид олова.

Другие

• Сульфид олова;
• Оксид меди;
• Железный оксид.

Органические полупроводники

Некоторые органические соединения также обладают полупроводниковыми свойствами:

• Органические красители;
• Ароматические соединения;
• Полимеры;
• Пигменты.

Магнитные полупроводники

Некоторые полупроводниковые материалы обладают свойствами ферромагнетиков, что позволяет создавать устройства с новыми областями применения.

Прошло то время, когда полупроводниковая техника была дорога и нетехнологична, по сравнению с электровакуумным оборудованием. В настоящее время вся электро,- и радиотехника базируется на монолитных полупроводниковых компонентах. Такие устройства имеют высокую надежность и стабильность параметров.

Источник: https://amperof.ru/teoriya/poluprovodniki-chto-eto-takoe.html

Полупроводник – это очень просто. Часть 2: Типы полупроводников

Продолжаем изучать современную электронику на простом уровне. В первой части мы рассмотрели вещества с точки зрения проводимости, изучили основы зонной теории твёрдых тел. Сегодня же мы переходим к типам полупроводников.

Полупроводники бывают 2-ух видов: собственные и примесные, в свою очередь примесные разделяются на донорные и акцепторные.

Будь проще и говори на понятном для людей языке, потому что очень многие стараются говорить на такой терминологии и так умно, что можно час слушать, а потом спросить его, что ты понял из всего этого сказанного, человек не может абсолютно ничего пересказать. Виталий Владимирович Кличко.

Собственный полупроводник. Дырки

Как можно догадаться собственным называется такой полупроводник, который не имеет примесей. Для примера возьмём Si (кремний).

Этот элемент имеет 4 электрона на внешней оболочке (мы берём внешнюю оболочку, так как внутренние не участвуют в атомном обмене, об этом в часть 1). Кремний легко разделяет свои электроны с другими атомами кремния, образуя при этом валентные связи. Валентная связь – это такая связь, при которой атомы делят между собой общую пару электронов.

Валентную связь можно представить себе как детей (атомы), которые обменялись игрушками (электронами) друг с другом и продолжают играют вместе.Структура кристаллической решётки кремния.

Электроны во всех связях будут присутствовать только при температуре абсолютного нуля. Если температура не равна нулю, то как известно, электроны имеют вероятность перейти из валентной зоны в зону проводимости.

Чем выше температура – тем больше вероятность.

При температуре выше нуля некоторые связи разрушатся, а электроны перейдут в зону проводимости, оставив на своём месте нескомпенсированный положительный заряд – дырку.

Так как атом система нейтральная, то при отщеплении отрицательного заряда должен остаться равный по величине положительный заряд.

Дырка – это “частица”, которая по массе равна электрону, но имеет положительный заряд.

Вылет электрона из связи и образование дырки.

Получается, что при переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости в валентной зоне остаётся дырка, то есть вакантное место для другого электрона.

Образование дырок в валентной зоне и свободных электронов в зоне проводимости.

При приложении внешнего напряжения электроны будут принимать участие в процессе протекания тока.

Таким образом можно сделать вывод, что собственный полупроводник (его ещё называют полупроводником i-типа) – это полупроводник без примесей, в котором носители заряда появляются только за счёт теплового воздействия.

Так же стоит отметить, что количество дырок равно количеству электронов.

Донорный полупроводник. Электронная проводимость

Донорный полупроводник – это полупроводник, в который добавили донорную примесь. Донор, значит что-то отдаёт. В нашем случае донор отдаёт избыточные электроны. Рассмотрим в качестве примера атом Si, в который в качестве донорной примеси добавили атом F (фосфор).

Фосфор имеет 5 электронов на внешней оболочке, 4 из которых легко образуют валентную связь с атомами кремния. Пятый электрон остаётся не задействован ни в одной связи.

Донорная примесь фосфора в кристалле кремния.

Так как пятый электрон слабо связан с атомом фосфора, то это даёт ему возможность легко оторваться. Для этого нужно приложить совсем небольшую энергию, которая называется энергией активации примеси.

Этот свободный электрон образует собственный энергетический уровень в запрещённой зоне, поэтому энергия активации примеси достаточно мала.

Общая картина донорной примеси.

Именно электроны без связи становятся основными носителями заряда, так как им легче перескочить в зону проводимости. Переходы из валентной зоны так же возможны, но очевидно, их будет меньше, так как им нужно преодолеть больший участок запрещённой зоны.

В итоге можно сказать, что донорный полупроводник – это полупроводник, в который ввели донорную примесь, вследствие чего в запрещённой зоне образовался новый, донорный уровень, с которого свободные, донорные электроны, легко переходят в зону проводимости.

Этот тип полупроводника так же называют n-типом, так как основные заряды – электроны, заряжены отрицательно (от англ. negative).

Акцепторный полупроводник. Дырочная проводимость

Акцепторный полупроводник – это полупроводник, в который добавили акцепторную примесь. Акцептор, значит что-то принимает. В нашем случае акцептор принимает электроны из других связей. Рассмотрим в качестве примера атом Si, в который в качестве акцепторной примеси добавили атом B (бор).

Бор имеет 3 электрона на внешней оболочке, каждый из которых легко образуют валентную связь с атомами кремния. Однако остаётся одна незадействованная связь, вакантное место для электрона.

Акцепторная примесь в кристалле кремния.

Это вакантное место не несёт заряда, так как атом бора нейтрален.

При температуре выше абсолютного нуля электрон из соседнего атома может переместиться в вакантное место, оставив после себя дырку.

В эту дырку может переместиться другой электрон, оставив свою дырку, и так далее. Получается, что теперь носителем заряда (положительного) является дырка.

Механизм дырочной проводимости.

Эта дырка образует акцепторный уровень в запрещённой зоне. На этот уровень перемещаются электроны, оставляют после себя дырки, которые являются основными носителям.

Электрон занял вакантное место, оставив после себя дырку, которую займёт другой электрон.

В итоге можно сказать, что акцепторный полупроводник – это полупроводник, в который ввели акцепторную примесь, вследствие чего в запрещённой зоне образовался новый, акцепторный уровень, на который легко переходят электроны, оставляя после себя дырки для последующих переходов.

Этот тип полупроводника так же называют p-типом, так как основные заряды – дырки заряжены положительно (от англ. positive).

Рассмотрели основные типы полупроводников. В следующей статье рассмотрим p-n переход – основу современной электроники.

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5b7ed756dff62a00aa6de2e4/5b8101defb19de00a9df3859

Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. На сайте есть раздел посвященный начинающим радиолюбителям, но пока что для начинающих, делающих первые шаги в мир электроники, я толком ничего и не написал. Восполняю этот пробел, и с этой статьи мы начинаем знакомиться с устройством и работой радиокомпонентов (радиодеталей).

Начнем с полупроводниковых приборов. Но чтобы понять, как работает диод, тиристор или транзистор, надо представлять, что такое полупроводник. Поэтому мы, сначала изучим структуру и свойства полупроводников на молекулярном уровне, а затем уже будем разбираться с работой и устройством полупроводниковых радиокомпонентов.

Общие понятия

Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.

Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, окись меди), но для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только Кремний (Si) и Германий (Ge).

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Свойства полупроводников

Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры.
При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники не проводят электрический ток, а с повышением температуры, их сопротивляемость току уменьшается.

Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрические приборы.

Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи.

А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.

Строение атомов полупроводников

Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14.

Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.
На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.

Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих, и по одному, заимствованных от четырех соседних атомов.

Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу.

На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.

Электропроводность полупроводника

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов.

Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.
Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками).

Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами.

То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку.

Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).

Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

Электронно-дырочная проводимость

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Электронная проводимость

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов.

Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным.

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Дырочная проводимость

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона.

В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок.

И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный».

Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок.

А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

На этом давайте остановимся, а в следующей части рассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.
Удачи!

Источник:

1. Борисов В.Г. — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Сайт academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

Источник: https://sesaga.ru/poluprovodniki-struktura-poluprovodnikov-tipy-provodimosti-i-vozniknovenie-toka-v-poluprovodnikax.html