Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники
Полупроводники - группа веществ, проводимость которых занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами. Они проводят электрический ток не настолько хорошо, чтобы быть проводниками, но и не настолько плохо, чтобы быть изоляторами.
К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.)
особенностью полупроводников является то, что с изменением температуры меняется их электропроводность.
Полупроводники нашли широкое применение в электротехнике, радиотехнике, автоматике и др.

Строение полупроводников
Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями. Рассмотрим строение германия

Четыре валентных электрона атома германия связаны с такими же электронами соседних атомов парноэлектронными (ковалентными) связями. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону. Каждый атом образует четыре связи с соседними, а валентный электрон может двигаться по любой из них. После этого он может перейти к следующему атому, и так дальше по всему кристаллу.
Ковалентные связи германия достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Валентные электроны прочно связаны с кристаллической решеткой, и внешнее электрическое поле не оказывает на их движение заметного влияния.

Электрический ток в полупроводниках
Абрам Федорович Иоффе.
Одним из первых начал систематические исследования физических свойств таких веществ, называемых сегодня полупроводниками, выдающийся советский физик Абрам Федорович Иоффе.
Полупроводники оказались не просто «плохими проводниками», а особым классом кристаллов со многими физическими свойствами, отличающими их как от металлов, так и от диэлектриков.

Но самым удивительным свойством полупроводников оказалось свойство односторонней проводимости контакта двух полупроводниковых кристаллов различного типа. Это свойство используется при создании разнообразных полупроводниковых приборов, служащих материальной базой современной радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники.

Полупроводниковые соединения делят на простые и сложные.
Простые полупроводниковые материалы - собственно химические элементы: бор B, углерод C, германий Ge, кремний Si, селен Se, сера S, сурьма Sb, теллур Te и йод I.
Самостоятельное применение широко нашли германий, кремний и селен. Остальные чаще всего применяются в качестве легирующих добавок или в качестве компонентов сложных полупроводниковых материалов.
В группу сложных полупроводниковых материалов входят химические соединения, обладающие полупроводниковыми свойствами и включающие в себя два, три и более химических элементов.

Собственная проводимость полупроводников
Чистые полупроводники (без примесей), в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью.
Собственная проводимость бывает двух видов: электронная и дырочная.

ЭЛЕКТРОННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ
При повышении температуры число разорванных ковалентных связей и количество свободных электронов увеличиваются, и это приводит к уменьшению удельного сопротивления РИСУНОК 2
Без внешнего поля эти электроны движутся хаотически. Под действием электрического поля свободные электроны перемещаются противоположно его вектору РИСУНОК 3

ДЫРОЧНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ
При образовании свободного электрона в ковалентной связи возникает свободное (вакантное) место – электронная дырка. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными (неразрушенными) связями.
Под действием внешнего электрического поля происходит упорядоченное движение дырок, которое происходит в направлении вектора напряженности электрического поля (см. рисунок 3).

Примесная электропроводность полупроводников
Проводимость полупроводников сильно зависит от содержания примесей. Собственная проводимость у полупроводников обычно мала. У них наряду с собственной проводимостью при наличии примесей возникает дополнительная – примесная проводимость.
Изменяя концентрацию примеси, можно изменять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей. Небольшое добавление примеси к полупроводнику называется легированием.
Примеси бывают двух типов - донорные и акцепторные.

ДОНОРНЫЕ ПРИМЕСИ
РИС 4
Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорной примесью. Валентные электроны атомов данной примеси становятся носителями заряда.

АКЦЕПТОРНЫЕ ПРИМЕСИ
РИС 5
Примеси, захватывающие электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными (примеси, имеющие валентность меньше чем у основного полупроводника).
Основными носителями тока в полупроводниковом кристалле с акцепторной примесью являются дырки, а не основными носителями - электроны. В данных полупроводниках будет возникать дырочная проводимость, характерная дырочными полупроводниками (полупроводниками р-типа).