С открытием полупроводников и изучением их свойств стало возможным создание схем на диодах и транзисторах. Вскоре из-за лучших эксплуатационных характеристик и меньших размеров они вытеснили электронные лампы, затем стало возможным производить интегральные микросхемы на основе полупроводниковых элементов.
Что такое полупроводники
Дать определение полупроводникам – это охарактеризовать их с точки зрения способности к проведению электротока. У данных кристаллических веществ увеличивается электропроводность при возрастании температуры, воздействии света, присутствии различных примесей.
Полупроводники бывают широкозонные и узкозонные, что обуславливает свойства полупроводниковых материалов. От ширины запрещенной зоны, измеряемой в электронвольтах (эВ), зависит электропроводность. Этот параметр можно представить как энергию, которая требуется электрону для проникновения в зону проведения электротока. В среднем для полупроводников она 1 эВ, может быть больше или меньше.
Если правильность кристаллической решетки полупроводников нарушается чужеродным атомом, то такая проводимость будет примесной. Когда полупроводниковые вещества предназначены для создания элементов микросхемы, в них специально добавляют примеси, которые образуют повышенные скопления дырок или электронов:
- донорные – с большей валентностью, отдают электроны;
- акцепторные – с меньшей валентностью, забирают электроны, образуя дырки.
Важно! Главный фактор, влияющий на электропроводность проводников, – температура.
Как обеспечивается проводимость
Примерами полупроводников являются кремний, германий. В кристаллах этих веществ атомы имеют ковалентные связи. Когда растет температура, некоторые электроны могут освобождаться. После этого атом, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом. А электрон, не будучи способным перейти к другому атому из-за насыщенности связей, оказывается свободным. Под воздействием электрического поля освободившиеся электроны могут двигаться в направленном потоке.
Ион, потерявший электрон, стремится «отобрать» другой у ближайшего атома. Если у него это получается, то уже этот атом остановится ионом, в свою очередь, пытаясь заместить потерянный электрон. Таким образом, происходит движение «дырок» (положительных зарядов), которое тоже может стать упорядоченным в электрическом поле.
Повышенная температура позволяет электронам энергичнее освобождаться, что приводит к уменьшению сопротивления полупроводника и возрастанию проводимости. Электроны и дырки соотносятся примерно в равных пропорциях в беспримесных кристаллах, такая проводимость называется собственной.
Проводимость p-типа и n-типа
Примесные виды проводимости подразделяются на:
- Р-типа. Образуется при добавлении акцепторной примеси. Более низкая валентность примеси вызывает формирование повышенного числа дырок. Для четырехвалентного кремния такой примесью может служить трехвалентный бор;
- N-типа. Если к кремнию добавить пятивалентную сурьму, то в полупроводнике возрастет число освободившихся электронов-носителей отрицательного заряда.
Полупроводниковые элементы в основном функционируют на основе особенностей p-n-перехода. Когда два материала с разным типом проводимости привести в соприкосновение, на границе между ними будет происходить взаимопроникновение электронов и дырок в противоположные зоны.
Важно! Процесс взаимообмена полупроводниковых материалов положительными и отрицательными зарядоносителями имеет временные границы – до формирования запирающего слоя.
Носители положительного и отрицательного заряда накапливаются в соединенных частях, с двух сторон от линии соприкосновения. Возникающая разность потенциалов может достигать 0,6 В.
Когда элемент с p-n-переходом попадает в электрическое поле, его проводимость будет зависеть от подключения источника питания (ИП). При «плюсе» на части с р-проводимостью и «минусе» на части с n-проводимостью запирающий слой уничтожится, и через переход пойдет ток. Если ИП подключить противоположным образом, запирающий слой еще больше увеличится и пропустит электроток ничтожно малой величины.
Важно! Р-n-переход обладает односторонней проводимостью.
Использование полупроводников
На основе свойств полупроводников созданы различные приборы, применяющиеся в радиотехнике, электронике и других областях.
Диод
Односторонняя проводимость полупроводниковых диодов определила область их применения – в основном, при выпрямлении переменного тока. Другие виды диодов:
- Туннельный. В нем применяются полупроводниковые материалы с таким содержанием примесей, что ширина p-n-перехода резко уменьшается, и становится возможным эффект туннельного пробоя при прямом включении. Используются в ВЧ-устройствах, генераторах, технике для измерений;
- Обращенный. Несколько измененный туннельный диод. При прямом подключении напряжение, его открывающее, намного ниже в сравнении с классическими диодами. Это предопределяет использование туннельного диода для преобразования токов малых напряжений;
- Варикап. Когда p-n-переход закрыт, его емкость достаточно высока. Варикап используется как конденсатор, емкость которого можно варьировать изменением напряжения. Емкость будет снижаться, если обратное напряжение растет;
- Стабилитрон. Подключается параллельно, стабилизирует напряжение на заданном участке;
- Импульсный. Из-за коротких переходных процессов применяются для импульсных ВЧ-схем;
- Лавинно-пролетный. Используется для генерации колебаний сверхвысокой частоты. В основе – лавинообразное размножение зарядоносителей.
Этот диод состоит не из двух полупроводниковых материалов, вместо этого полупроводник контактирует с металлом. Так как металл не имеет кристаллическую структуру, дырок в нем быть не может. Значит, в месте соприкосновения его с полупроводниковым материалом к проникновению способны только электроны с обеих сторон, совершая работу выхода. Это становится возможным, когда:
- имеется полупроводник n-типа, и работа выхода его электронов меньше, чем у металла;
- имеется полупроводник р-типа с работой выхода его электронов большей, чем у металла.
В месте контакта полупроводник потеряет зарядоносители, проводимость его снизится. Создается барьер, который преодолевается прямым напряжением необходимого значения. Обратное напряжение практически запирает диод, работающий как выпрямитель. Диоды Шоттки из-за высокого быстродействия используются в импульсных схемах, в вычислительных устройствах, служат они и качестве силовых диодов для выпрямления тока значительной величины.
Практически ни одна микросхема не обходится без транзисторов, полупроводниковых элементов с двумя p-n-переходами. Транзисторный элемент имеет три выводных контакта:
- коллектор;
- база;
- эммитер.
Если на базу подается маломощный сигнал управления, между коллектором и эммитером пропускается намного больший ток. Когда на базу сигнал не подается, ток не проводится. Таким образом, можно регулировать силу тока. Используется прибор для усиления сигнала и бесконтактной коммутации цепи.
Виды полупроводниковых транзисторов:
- Биполярные. Обладают положительными и отрицательными зарядоносителями. Протекающий ток способен проходить в прямом и обратном направлении. Применяются в качестве усилителей;
- Полевые. Их выводы называются сток, исток, затвор. Управление производится посредством электрического поля определенной полярности. Сигнал, подаваемый на затвор, может изменять проводимость транзистора. Зарядоносители в полевых приборах могут быть только с одним знаком: положительные либо отрицательные. Мощные полевые транзисторы используются в усилителях звука. Основное их применение – интегральные схемы. Компактные размеры и малое энергопотребление делают возможным устанавливать их в приборах с источниками напряжения малой мощности (часы);
- Комбинированные. Могут располагаться совместно с другими транзисторными элементами, резисторами в одной монолитной структуре.
Легирование полупроводников
Легирование – это введение примесных элементов, донорных и акцепторных, в кристаллы полупроводников для регулирования их проводимости. Это происходит в период выращивания кристаллов или путем местного внедрения в отдельных зонах.
Применяемые методы:
- Высокотемпературная диффузия. Полупроводниковый кристалл разогревают, и примесные атомы, находящиеся в контакте с его поверхностью, попадают вглубь. В некоторых узлах кристаллической решетки примесные атомы замещают атомы основного вещества;
- Ионная имплантация. Происходят ионизация и ускорение примесных атомов, которые бомбардируют монокристалл, создавая местные неоднородности и формируя p-n-переходы;
- Лазерное облучение. Преимущество способа в том, что, используя направленное излучение, отдельные участки можно разогреть до любых температурных значений, что облегчает ввод примесей;
- Нейтронное легирование. Применяется сравнительно недавно. Заключается в облучении монокристалла тепловыми нейтронами в реакторе, в результате чего происходит мутация атомных ядер. Атомы кремния преобразуются в фосфорные.
Существуют и другие способы легирования: химическое травление, создание тонких пленок путем напыления.
Как получают полупроводники
Главным в получении полупроводников является их очистка от ненужных примесей. Среди множества способов их получения можно выделить два, наиболее часто применяемых:
- Зонная плавка. Процесс осуществляется в запаянном кварцевом контейнере, куда подается инертный газ. Расплавляется узкая зона слитка, которая постепенно перемещается. В процессе плавления примеси перераспределяются и рекристаллизируются, выделяя чистую часть;
- Метод Чохральского. Заключается в выращивании кристалла из затравки путем постепенного вытягивания из расплавленного состава.
Разновидности полупроводниковых материалов
Различия в составе определяют область применения полупроводников:
- К простым – относятся однородные вещества, применяющееся самостоятельно, а также в качестве примесей и составляющих частей сложных материалов. Кремний, селен и германий используются самостоятельно. Бор, сурьма, теллур, мышьяк, сера, иод служат добавками;
- Сложные материалы представляют собой химические соединения из двух или нескольких элементов: сульфиды, теллуриды, карбиды;
- Оксиды кобальта, меди, европия используются в выпрямительных и фотоэлементах;
- Органические полупроводники: индол, акридон, флавантрон, пентацен. Одна из областей их использования – оптическая электроника;
- Магнитные полупроводники. Это ферромагнетические материалы, например, сульфид и оксид европия, а также антиферромагнетические – оксид никеля, теллурид европия. Применяются в радиотехнике, оптических устройствах, управляемых магнитным полем.
Сейчас трудно назвать область техники, где не было бы полупроводниковых материалов, используемых в том числе при отсутствии p-n-перехода, например, термосопротивления в температурных датчиках, фотосопротивления в пультах ДУ и другие.
Видео
Полупроводники - широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности, лежащей в диапазоне между удельной элек-тропроводностью металлов и хороших диэлектриков, то есть эти вещества не могут быть отнесены как к диэлектрикам (так как не являются хорошими изоля-торами), так и к металлам (не являются хорошими проводниками электрического тока). К полупроводникам, например, относят такие вещества как германий, кремний, селен, теллур, а также некоторые оксиды, сульфиды и сплавы металлов.
Свойства:
1) С повышением температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается, в отличие от металлов, у которых удельное сопротивление с повышением температуры увеличивается. Причем как правило в широком интервале температур возрастание это происходит экспоненционально. Удельное сопротивление полупроводниковых кристаллов может также уменьшаться при воздействии света или сильных электронных полей.
2) Свойство односторонней проводимости контакта двух полупроводников. Именно это свойство используется при создании разнообразных полупроводни-ковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и др.
3) Контакты различных полупроводников в определенных условиях при осве-щении или нагревании являются источниками фото - э. д. с. или, соответственно, термо - э. д. с.
Полупроводники отличаются от других классов твердых тел многими специфическими особенностями, главнейшими из которых являются :
1) положительный температурный коэффициент электропроводности, то есть с повышением температуры электропроводность полупроводников растет;
2) удельная проводимость полупроводников меньше, чем у металлов, но больше, чем у изоляторов;
3) большие значения термоэлектродвижущей силы по сравнению с металлами;
4) высокая чувствительность свойств полупроводников к ионизирующим излучениям;
5) способность резкого изменения физических свойств под влиянием ничтожно малых концентраций примесей;
6) эффект выпрямления тока или неомическое поведение на контактах.
3. Физические процессы в p-n – переходе.
Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (р-n -переход), представляющий собой переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, а другая - дырочную.
Образование p-n перехода. P-n переход в равновесном состоянии
Рассмотрим подробнее процесс образования p-n перехода. Равновесным называют такое состояние перехода, когда отсутствует внешнее напряжение. Напомним, что в р -области имеются два вида основных носителей заряда: неподвижные отрицательно заряженные ионы атомов акцепторной примеси и свободные положительно заряженные дырки; а в n -области имеются также два вида основных носителей заряда: неподвижные положительно заряженные ионы атомов акцепторной примеси и свободные отрицательно заряженные электроны.
До соприкосновения p и n областей электроны дырки и ионы примесей распределены равномерно. При контакте на границе p иn областей возникает градиент концентрации свободных носителей заряда и диффузия. Под действием диффузии электроны из n -области переходит в p и рекомбинирует там с дырками. Дырки из р -области переходят в n -область и рекомбинируют там с электронами. В результате такого движения свободных носителей заряда в пограничной области их концентрация убывает почти до нуля и в тоже время в р области образуется отрицательный пространственный заряд ионов акцепторной примеси, а в n -области положительный пространственный заряд ионов донорной примеси. Между этими зарядами возникает контактная разность потенциалов φ к и электрическое поле Е к , которое препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины р- иn- областей через р-n- переход. Таким образом область, объединённая свободными носителями заряда со своим электрическим полем и называется р-n- переходом.
P-n -переход характеризуется двумя основными параметрами:
1. Высота потенциального барьера . Она равна контактной разности потенциалов φ к . Это разность потенциалов в переходе, обусловленная градиентом концентрации носителей заряда. Это энергия, которой должен обладать свободный заряд чтобы преодолеть потенциальный барьер:
где k – постоянная Больцмана; е – заряд электрона; Т – температура; N а и N Д – концентрации акцепторов и доноров в дырочной и электронной областях соответственно; р р и р n – концентрации дырок в р- и n- областях соответственно; n i – собственная концентрация носителей заряда в нелигированном полупроводнике, т =кТ/е - температурный потенциал. При температуре Т =27 0 С т =0.025В, для германиевого перехода к =0,6В, для кремниевого перехода к =0,8В.
2. Ширина p-n-перехода (рис.1) – это приграничная область, обеднённая носителями заряда, которая располагается в p и n областях: l p-n = l p + l n :
Отсюда ,
где ε – относительная диэлектрическая проницаемость материала полупроводника; ε 0 - диэлектрическая постоянная свободного пространства.
Толщина электронно-дырочных переходов имеет порядок (0,1-10)мкм. Если , то и p-n -переход называется симметричным, если , то и p-n -переход называется несимметричным, причём он в основном располагается в области полупроводника с меньшей концентрацией примеси.
В равновесном состоянии (без внешнего напряжения) через р-n переход движутся два встречных потока зарядов (протекают два тока). Это дрейфовый ток неосновных носителей заряда и диффузионный ток, который связан с основными носителями заряда. Так как внешнее напряжение отсутствует, и тока во внешней цепи нет, то дрейфовый ток и диффузионный ток взаимно уравновешиваются и результирующий ток равен нулю
I др + I диф = 0.
Это соотношение называют условие динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа в изолированном (равновесном) p-n -переходе.
Поверхность, по которой контактируют p и n области называется металлургической границей. Реально она имеет конечную толщину - δ м . Если δ м << l p-n , то p-n -переход называют резким. Если δ м >>l p-n , то p-n -переход называют плавным.
Р-n переход при внешнем напряжении, приложенном к нему
Внешнее напряжение нарушает динамическое равновесие токов в p-n -переходе. P-n -переход переходит в неравновесное состояние. В зависимости от полярности напряжения приложенного к областям в p-n -перехода возможно два режима работы.
1) Прямое смещение p-n перехода . Р-n- переход считается смещённым в прямом направлении, если положительный полюс источника питания подсоединен к р -области, а отрицательный к n -области (рис.1.2)
При прямом смещении, напряжения к и U направлены встречно, результирующее напряжение на p-n -переходе убывает до величины к - U . Это приводит к тому, что напряженность электрического поля убывает и возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Кроме того, прямое смещении уменьшает ширину p-n перехода, т.к. l p-n ≈ ( к – U) 1/2 . Ток диффузии, ток основных носителей заряда, становится много больше дрейфового. Через p-n -переход протекает прямой ток
I р-n =I пр =I диф +I др I диф .
При протекании прямого тока основные носители заряда р-области переходят в n-область, где становятся неосновными. Диффузионный процесс введения основных носителей заряда в область, где они становятся неосновными, называется инжекцией , а прямой ток – диффузионным током или током инжекции. Для компенсации неосновных носителей заряда накапливающихся в p и n-областях во внешней цепи возникает электронный ток от источника напряжения, т.е. принцип электронейтральности сохраняется.
При увеличении U ток резко возрастает, - температурный потенциал, и может достигать больших величин т.к. связан с основными носителями концентрация которых велика.
2) Обратное смещение , возникает когда к р -области приложен минус, а к n -области плюс, внешнего источника напряжения (рис.1.3).
Такое внешнее напряжение U включено согласно к . Оно: увеличивает высоту потенциального барьера до величины к + U ; напряженность электрического поля возрастает; ширина p-n перехода возрастает, т.к. l p-n ≈( к + U) 1/2 ; процесс диффузии полностью прекращается и через p-n переход протекает дрейфовый ток, ток неосновных носителей заряда. Такой ток p-n -перехода называют обратным, а поскольку он связан с неосновными носителями заряда, которые возникают за счет термогенерации то его называют тепловым током и обозначают - I 0 , т.е.
I р-n =I обр =I диф +I др I др = I 0 .
Этот ток мал по величине т.к. связан с неосновными носителями заряда, концентрация которых мала. Таким образом, p-n перехода обладает односторонней проводимостью.
При обратном смещении концентрация неосновных носителей заряда на границе перехода несколько снижается по сравнению с равновесной. Это приводит к диффузии неосновных носителей заряда из глубины p и n -областей к границе p-n перехода. Достигнув ее неосновные носители попадают в сильное электрическое поле и переносятся через p-n переход, где становятся основными носителями заряда. Диффузия неосновных носителей заряда к границе p-n перехода и дрейф через него в область, где они становятся основными носителями заряда, называется экстракцией . Экстракция и создает обратный ток p-n перехода – это ток неосновных носителей заряда.
Величина обратного тока сильно зависит: от температуры окружающей среды, материала полупроводника и площади p-n перехода.
Температурная зависимость обратного тока определяется выражением , где - номинальная температура, - фактическая температура, - температура удвоения теплового тока .
Тепловой ток кремниевого перехода много меньше теплового тока перехода на основе германия (на 3-4 порядка). Это связано с к материала.
С увеличением площади перехода возрастает его обьем, а следовательно возрастает число неосновных носителей появляющихся в результате термогенерации и тепловой ток.
Итак, главное свойство p-n -перехода – это его односторонняя проводимость.
4. Вольтамперная характеристика p-n – перехода.
Получим вольт-амперную характеристику p-n перехода. Для этого запишем уравнение непрерывности в общем виде:
Будем рассматривать стационарный случай dp/dt = 0.
Рассмотрим ток в квазинейтральном объеме полупроводника n-типа справа от обедненной области p-n перехода (x > 0). Темп генерации G в квазинейтральном объеме равен нулю: G = 0. Электрическое поле E тоже равно нулю: E = 0. Дрейфовая компонента тока также равна нулю: I E = 0, следовательно, ток диффузионный . Темп рекомбинации R при малом уровне инжекции описывается соотношением:
Воспользуемся следующим соотношением, связывающим коэффициент диффузии, длину диффузии и время жизни неосновных носителей: Dτ = L p 2 .
С учетом отмеченных выше допущений уравнение непрерывности имеет вид:
Граничные условия для диффузионного уравнения в p-n переходе имеют вид:
Решение дифференциального уравнения (2.58) с граничными условиями (*) имеет вид:
Соотношение (2.59) описывает закон распределения инжектированных дырок в квазинейтральном объеме полупроводника n-типа для электронно-дырочного перехода (рис. 2.15). В токе p-n перехода принимают участие все носители, пересекшие границу ОПЗ с квазинейтральным объемом p-n перехода. Поскольку весь ток диффузионный, подставляя (2.59) в выражение для тока, получаем (рис. 2.16):
Соотношение (2.60) описывает диффузионную компоненту дырочного тока p-n перехода, возникающую при инжекции неосновных носителей при прямом смещении. Для электронной компоненты тока p-n перехода аналогично получаем:
При V G = 0 дрейфовые и диффузионные компоненты уравновешивают друг друга. Следовательно, .
Полный ток p-n перехода является суммой всех четырех компонент тока p-n перехода:
Выражение в скобках имеет физический смысл обратного тока p-n перехода. Действительно, при отрицательных напряжениях V G < 0 ток дрейфовый и обусловлен неосновными носителями. Все эти носители уходят из цилиндра длиной L n со скоростью L n /τ p . Тогда для дрейфовой компоненты тока получаем:
Рис. 2.15. Распределение неравновесных инжектированных из эмиттера носителей по квазинейтральному объему базы p-n перехода
Нетрудно видеть, что это соотношение эквивалентно полученному ранее при анализе уравнения непрерывности.
Если требуется реализовать условие односторонней инжекции (например, только инжекции дырок), то из соотношения (2.61) следует, что нужно выбрать малое значение концентрации неосновных носителей n p0 в p-области. Отсюда следует, что полупроводник p-типа должен быть сильно легирован по сравнению с полупроводником n-типа: N A >> N D . В этом случае в токе p-n перехода будет доминировать дырочная компонента (рис. 2.16).
Рис. 2.16. Токи в несимметричном p-n nереходе при прямом смещении
Таким образом, ВАХ p-n перехода имеет вид:
Плотность тока насыщения J s равна:
ВАХ p-n перехода, описываемая соотношением (2.62), приведена на рисунке 2.17.
Рис. 2.17. Вольт-амперная характеристика идеального p-n перехода
Как следует из соотношения (2.16) и рисунка 2.17, вольт-амперная характеристика идеального p-n перехода имеет ярко выраженный несимметричный вид. В области прямых напряжений ток p-n перехода диффузионный и экспоненциально возрастает с ростом приложенного напряжения. В области отрицательных напряжений ток p-n перехода - дрейфовый и не зависит от приложенного напряжения.
5. Емкость p-n – перехода.
Любая система, в которой при изменении потенциала φ меняется электрический заряд Q, обладает емкостью. Величина емкости С определяется соотношением: .
Для p-n перехода можно выделить два типа зарядов: заряд в области пространственного заряда ионизованных доноров и акцепторов Q B и заряд инжектированных носителей в базу из эмиттера Q p . При различных смещениях на p-n переходе при расчете емкости будет доминировать тот или иной заряд. В связи с этим для емкости p-n перехода выделяют барьерную емкость C B и диффузионную емкость C D .
Барьерная емкость C B - это емкость p-n перехода при обратном смещении V G < 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.
Величина заряда ионизованных доноров и акцепторов Q B на единицу площади для несимметричного p-n перехода равна:
Дифференцируя выражение (2.65), получаем:
Из уравнения (2.66) следует, что барьерная емкость C B представляет собой емкость плоского конденсатора, расстояние между обкладками которого равно ширине области пространственного заряда W. Поскольку ширина ОПЗ зависит от приложенного напряжения V G , то и барьерная емкость также зависит от приложенного напряжения. Численные оценки величины барьерной емкости показывают, что ее значение составляет десятки или сотни пикофарад.
Диффузионная емкость C D - это емкость p-n перехода при прямом смещении V G > 0, обусловленная изменением заряда Q p инжектированных носителей в базу из эмиттера Q p .
Зависимость барьерной емкости С B от приложенного обратного напряжения V G используется для приборной реализации. Полупроводниковый диод, реализующий эту зависимость, называется варикапом. Максимальное значение емкости варикап имеет при нулевом напряжении V G . При увеличении обратного смещения емкость варикапа уменьшается. Функциональная зависимость емкости варикапа от напряжения определяется профилем легирования базы варикапа. В случае однородного легирования емкость обратно пропорциональна корню из приложенного напряжения V G . Задавая профиль легирования в базе варикапа N D (x), можно получить различные зависимости емкости варикапа от напряжения C(V G) - линейно убывающие, экспоненциально убывающие.
6. Полупроводниковые диоды: классификация, особенности конструкции, условные обозначения и маркировка.
Полупроводниковый диод - полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n -перехода.
Темы кодификатора ЕГЭ : полупроводники, собственная и примесная проводимость полупроводников.
До сих пор, говоря о способности веществ проводить электрический ток, мы делили их на проводники и диэлектрики. Удельное сопротивление обычных проводников находится в интервале Ом·м; удельное сопротивление диэлектриков превышает эти величины в среднем на порядков: Ом·м.
Но существуют также вещества, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Это полупроводники : их удельное сопротивление при комнатной температуре может принимать значения в очень широком диапазоне Ом·м. К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, некоторые другие химические элементы и соединения (Полупроводники чрезвычайно распространены в природе. Например, около 80% массы земной коры приходится на вещества, являющиеся полупроводниками). Наиболее широко примененяются кремний и германий .
Главная особенность полупроводников заключается в том, что их электропроводность резко увеличивается с повышением температуры. Удельное сопротивление полупроводника убывает с ростом температуры примерно так, как показано на рис. 1 .
Рис. 1. Зависимость для полупроводника
Иными словами, при низкой температуре полупроводники ведут себя как диэлектрики, а при высокой - как достаточно хорошие проводники. В этом состоит отличие полупроводников от металлов: удельное сопротивление металла, как вы помните, линейно возрастает с увеличением температуры.
Между полупроводниками и металлами имеются и другие отличия. Так, освещение полупроводника вызывает уменьшение его сопротивления (а на сопротивление металла свет почти не оказывает влияния). Кроме того, электропроводность полупроводников может очень сильно меняться при введении даже ничтожного количества примесей.
Опыт показывает, что, как и в случае металлов, при протекании тока через полупроводник не происходит переноса вещества. Стало быть, электрический ток в полупроводниках обусловлен движением электронов.
Уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании говорит о том, что повышение температуры приводит к увеличению количества свободных зарядов в полупроводнике. В металлах ничего такого не происходит; следовательно, полупроводники обладают иным механизмом электропроводности, чем металлы. И причина этого - различная природа химической связи между атомами металлов и полупроводников.
Ковалентная связь
Металлическая связь, как вы помните, обеспечивается газом свободных электронов, который, подобно клею, удерживает положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Полупроводники устроены иначе - их атомы скрепляет ковалентная связь . Давайте вспомним, что это такое.
Электроны, находящиеся на внешнем электронном уровне и называемые валентными , слабее связаны с атомом, чем остальные электроны, которые расположены ближе к ядру. В процессе образования ковалентной связи два атома вносят «в общее дело» по одному своему валентному электрону. Эти два электрона обобществляются, то есть теперь принадлежат уже обоим атомам, и потому называются общей электронной парой (рис. 2 ).
Рис. 2. Ковалентная связь
Обобществлённая пара электронов как раз и удерживает атомы друг около друга (с помощью сил электрического притяжения). Ковалентная связь - это связь, существующая между атомами за счёт общих электронных пар . По этой причине ковалентная связь называется также парноэлектронной .
Кристаллическая структура кремния
Теперь мы готовы подробнее изучить внутреннее устройство полупроводников. В качестве примера рассмотрим самый распространённый в природе полупроводник - кремний. Аналогичное строение имеет и второй по важности полупроводник - германий.
Пространственная структура кремния представлена на рис. 3 (автор картинки - Ben Mills). Шариками изображены атомы кремния, а трубки, их соединяющие, - это каналы ковалентной связи между атомами.
Рис. 3. Кристаллическая структура кремния
Обратите внимание, что каждый атом кремния скреплён с четырьмя соседними атомами. Почему так получается?
Дело в том, что кремний четырёхвалентен - на внешней электронной оболочке атома кремния расположены четыре валентных электрона. Каждый из этих четырёх электронов готов образовать общую электронную пару с валентным электроном другого атома. Так и происходит! В результате атом кремния окружается четырьмя пристыковавшимися к нему атомами, каждый из которых вносит по одному валентному электрону. Соответственно, вокруг каждого атома оказывается по восемь электронов (четыре своих и четыре чужих).
Более подробно мы видим это на плоской схеме кристаллической решётки кремния (рис. 4 ).
Рис. 4. Кристаллическая решётка кремния
Ковалентные связи изображены парами линий, соединяющих атомы; на этих линиях находятся общие электронные пары. Каждый валентный электрон, расположенный на такой линии, большую часть времени проводит в пространстве между двумя соседними атомами.
Однако валентные электроны отнюдь не «привязаны намертво» к соответствующим парам атомов. Происходит перекрытие электронных оболочек всех соседних атомов, так что любой валентный электрон есть общее достояние всех атомов-соседей. От некоторого атома 1 такой электрон может перейти к соседнему с ним атому 2, затем - к соседнему с ним атому 3 и так далее. Валентные электроны могут перемещаться по всему пространству кристалла - они, как говорят, принадлежат всему кристаллу (а не какой-либо одной атомной паре).
Тем не менее, валентные электроны кремния не являются свободными (как это имеет место в металле). В полупроводнике связь валентных электронов с атомами гораздо прочнее, чем в металле; ковалентные связи кремния не разрываются при невысоких температурах. Энергии электронов оказывается недостаточно для того, чтобы под действием внешнего электрического поля начать упорядоченное движение от меньшего потенциала к большему. Поэтому при достаточно низких температурах полупроводники близки к диэлектрикам - они не проводят электрический ток.
Собственная проводимость
Если включить в электрическую цепь полупроводниковый элемент и начать его нагревать, то сила тока в цепи возрастает. Следовательно, сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры. Почему это происходит?
При повышении температуры тепловые колебания атомов кремния становятся интенсивнее, и энергия валентных электронов возрастает. У некоторых электронов энергия достигает значений, достаточных для разрыва ковалентных связей. Такие электроны покидают свои атомы и становятся свободными (или электронами проводимости ) - точно так же, как в металле. Во внешнем электрическом поле свободные электроны начинают упорядоченное движение, образуя электрический ток.
Чем выше температура кремния, тем больше энергия электронов, и тем большее количество ковалентных связей не выдерживает и рвётся. Число свободных электронов в кристалле кремния возрастает, что и приводит к уменьшению его сопротивления.
Разрыв ковалентных связей и появление свободных электронов показан на рис. 5 . На месте разорванной ковалентной связи образуется дырка - вакантное место для электрона. Дырка имеет положительный заряд, поскольку с уходом отрицательно заряженного электрона остаётся нескомпенсированный положительный заряд ядра атома кремния.
Рис. 5. Образование свободных электронов и дырок
Дырки не остаются на месте - они могут блуждать по кристаллу. Дело в том, что один из соседних валентных электронов, «путешествуя» между атомами, может перескочить на образовавшееся вакантное место, заполнив дырку; тогда дырка в этом месте исчезнет, но появится в том месте, откуда электрон пришёл.
При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок носит случайный характер, ибо валентные электроны блуждают между атомами хаотически. Однако в электрическом поле начинается направленное движение дырок. Почему? Понять это несложно.
На рис. 6 изображён полупроводник, помещённый в электрическое поле . В левой части рисунка - начальное положение дырки.
Рис. 6. Движение дырки в электрическом поле
Куда сместится дырка? Ясно, что наиболее вероятны перескоки «электрон > дырка» в направлении против линий поля (то есть к «плюсам», создающим поле). Один из таких перескоков показан в средней части рисунка: электрон прыгнул влево, заполнив вакансию, а дырка, соответственно, сместилась вправо. Следующий возможный скачок электрона, вызванный электрическим полем, изображён в правой части рисунка; в результате этого скачка дырка заняла новое место, расположенное ещё правее.
Мы видим, что дырка в целом перемещается по направлению линий поля - то есть туда, куда и полагается двигаться положительным зарядам. Подчеркнём ещё раз, что направленное движение дырки вдоль поля вызвано перескоками валентных электронов от атома к атому, происходящими преимущественно в направлении против поля.
Таким образом, в кристалле кремния имеется два типа носителей заряда: свободные электроны и дырки. При наложении внешнего электрического поля появляется электрический ток, вызванный их упорядоченным встречным движением: свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряжённости поля , а дырки - в направлении вектора .
Возникновение тока за счёт движения свободных электронов называется электронной проводимостью , или проводимостью n-типа . Процесс упорядоченного перемещения дырок называется дырочной проводимостью ,или проводимостью p-типа (от первых букв латинских слов negativus (отрицательный) и positivus (положительный)). Обе проводимости - электронная и дырочная - вместе называются собственной проводимостью полупроводника.
Каждый уход электрона с разорванной ковалентной связи порождает пару «свободный электрон–дырка». Поэтому концентрация свободных электронов в кристалле чистого кремния равна концентрации дырок. Соответственно, при нагревании кристалла увеличивается концентрация не только свободных электронов, но и дырок, что приводит к возрастанию собственной проводимости полупроводника за счёт увеличения как электронной, так и дырочной проводимости.
Наряду с образованием пар «свободный электрон–дырка» идёт и обратный процесс: рекомбинация свободных электронов и дырок. А именно, свободный электрон, встречаясь с дыркой, заполняет эту вакансию, восстанавливая разорванную ковалентную связь и превращаясь в валентный электрон. Таким образом, в полупроводнике устанавливается динамическое равновесие : среднее число разрывов ковалентных связей и образующихся электронно-дырочных пар в единицу времени равно среднему числу рекомбинирующих электронов и дырок. Это состояние динамического равновесия определяет равновесную концентрацию свободных электронов и дырок в полупроводнике при данных условиях.
Изменение внешних условий смещает состояние динамического равновесия в ту или иную сторону. Равновесное значение концентрации носителей заряда при этом, естественно, изменяется. Например, число свободных электронов и дырок возрастает при нагревании полупроводника или при его освещении.
При комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок в кремнии приблизительно равно см. Концентрация же атомов кремния - порядка см. Иными словами, на атомов кремния приходится лишь один свободный электрон! Это очень мало. В металлах, например, концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов. Соответственно, собственная проводимость кремния и других полупроводников при нормальных условиях мала по сравнению с проводимостью металлов .
Примесная проводимость
Важнейшей особенностью полупроводников является то, что их удельное сопротивление может быть уменьшено на несколько порядков в результате введения даже весьма незначительного количества примесей. Помимо собственной проводимости у полупроводника возникает доминирующая примесная проводимость
. Именно благодаря этому факту полупроводниковые приборы нашли столь широкое применение в науке и технике.
Предположим, например, что в расплав кремния добавлено немного пятивалентного мышьяка . После кристаллизации расплава оказывается, что атомы мышьяка занимают места в некоторых узлах сформировавшейся кристаллической решётки кремния.
На внешнем электронном уровне атома мышьяка имеется пять электронов. Четыре из них образуют ковалентные связи с ближайшими соседями - атомами кремния (рис. 7 ). Какова судьба пятого электрона, не занятого в этих связях?
Рис. 7. Полупроводник n-типа
А пятый электрон становится свободным! Дело в том, что энергия связи этого «лишнего» электрона с атомом мышьяка, расположенным в кристалле кремния, гораздо меньше энергии связи валентных электронов с атомами кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка в результате теплового движения остаются без пятого электрона, превращаясь в положительные ионы. А кристалл кремния, соответственно, наполняется свободными электронами, которые отцепились от атомов мышьяка.
Наполнение кристалла свободными электронами для нас не новость: мы видели это и выше, когда нагревался чистый кремний (без каких-либо примесей). Но сейчас ситуация принципиально иная: появление свободного электрона, ушедшего из атома мышьяка, не сопровождается появлением подвижной дырки . Почему? Причина та же - связь валентных электронов с атомами кремния гораздо прочнее, чем с атомом мышьяка на пятой вакансии, поэтому электроны соседних атомов кремния и не стремятся эту вакансию заполнить. Вакансия, таким образом, остаётся на месте, она как бы «приморожена» к атому мышьяка и не участвует в создании тока.
Таким образом, внедрение атомов пятивалентного мышьяка в кристаллическую решётку кремния создаёт электронную проводимость, но не приводит к симметричному появлению дырочной проводимости . Главная роль в создании тока теперь принадлежит свободным электронам, которые в данном случае называются основными носителями заряда.
Механизм собственной проводимости, разумеется, продолжает работать и при наличии примеси: ковалентные связи по-прежнему рвутся за счёт теплового движения, порождая свободные электроны и дырки. Но теперь дырок оказывается гораздо меньше, чем свободных электронов, которые в большом количестве предоставлены атомами мышьяка. Поэтому дырки в данном случае будут неосновными носителями заряда.
Примеси, атомы которых отдают свободные электроны без появления равного количества подвижных дырок, называются донорными . Например, пятивалентный мышьяк - донорная примесь. При наличии в полупроводнике донорной примеси основными носителями заряда являются свободные электроны, а неосновными - дырки; иными словами, концентрация свободных электронов намного превышает концентрацию дырок. Поэтому полупроводники с донорными примесями называются электронными полупроводниками , или полупроводниками n-типа (или просто n-полупроводниками ).
А насколько, интересно, концентрация свободных электронов может превышать концентрацию дырок в n-полупроводнике? Давайте проведём простой расчёт.
Предположим, что примесь составляет , то есть на тысячу атомов кремния приходится один атом мышьяка. Концентрация атомов кремния, как мы помним, порядка см.
Концентрация атомов мышьяка, соответственно, будет в тысячу раз меньше: см. Такой же окажется и концентрация свободных электронов, отданных примесью - ведь каждый атом мышьяка отдаёт по электрону. А теперь вспомним, что концентрация электронно-дырочных пар, появляющихся при разрывах ковалентных связей кремния, при комнатной температуре примерно равна см. Чувствуете разницу? Концентрация свободных электронов в данном случае больше концентрации дырок на порядков, то есть в миллиард раз! Соответственно, в миллиард раз уменьшается удельное сопротивление кремниевого полупроводника при введении столь небольшого количества примеси.
Приведённый расчёт показывает, что в полупроводниках n-типа основную роль действительно играет электронная проводимость. На фоне столь колоссального превосходства численности свободных электронов вклад движения дырок в общую проводимость пренебрежимо мал.
Можно, наоборот, создать полупроводник с преобладанием дырочной проводимости. Так получится, если в кристалл кремния внедрить трёхвалентную примесь - например, индий . Результат такого внедрения показан на рис. 8 .
Рис. 8. Полупроводник p-типа
Что происходит в этом случае? На внешнем электронном уровне атома индия расположены три электрона, которые формируют ковалентные связи с тремя окружающими атомами кремния. Для четвёртого соседнего атома кремния у атома индия уже не хватает электрона, и в этом месте возникает дырка.
И дырка эта не простая, а особенная - с весьма большой энергией связи. Когда в неё попадёт электрон из соседнего атома кремния, он в ней «застрянет навеки», ибо притяжение электрона к атому индия весьма велико - больше, чем к атомам кремния. Атом индия превратится в отрицательный ион, а в том месте, откуда электрон пришёл, возникнет дырка - но теперь уже обыкновенная подвижная дырка в виде разорванной ковалентной связи в кристаллической решётке кремния. Эта дырка обычным образом начнёт блуждать по кристаллу за счёт «эстафетной» передачи валентных электронов от одного атома кремния к другому.
И так, каждый примесный атом индия порождает дырку, но не приводит к симметричному появлению свободного электрона. Такие примеси, атомы которых захватывают «намертво» электроны и тем самым создают в кристалле подвижную дырку, называются акцепторными .
Трёхвалентный индий - пример акцепторной примеси.
Если в кристалл чистого кремния ввести акцепторную примесь, то число дырок, порождённых примесью, будет намного больше числа свободных электронов, возникших за счёт разрыва ковалентных связей между атомами кремния. Полупроводник с акцепторной примесью - это дырочный полупроводник , или полупроводник p-типа (или просто p-полупроводник ).
Дырки играют главную роль при создании тока в p-полупроводнике; дырки - основные носители заряда . Свободные электроны - неосновные носители заряда в p-полупроводнике. Движение свободных электронов в данном случае не вносит существенного вклада: электрический ток обеспечивается в первую очередь дырочной проводимостью.
p–n-переход
Место контакта двух полупроводников с различными типами проводимости (электронной и дырочной) называется электронно-дырочным переходом , или p–n-переходом . В области p–n-перехода возникает интересное и очень важное явление - односторонняя проводимость.
На рис. 9 изображён контакт областей p- и n-типа; цветные кружочки - это дырки и свободные электроны, которые являются основными (или неосновными) носителями заряда в соответствующих областях.
Рис. 9. Запирающий слой p–n-перехода
Совершая тепловое движение, носители заряда проникают через границу раздела областей.
Свободные электроны переходят из n-области в p-область и рекомбинируют там с дырками; дырки же диффундируют из p-области в n-область и рекомбинируют там с электронами.
В результате этих процессов в электронном полупроводнике около границы контакта остаётся нескомпенсированный заряд положительных ионов донорной примеси, а в дырочном полупроводнике (также вблизи границы) возникает нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Эти нескомпенсированные объёмные заряды образуют так называемый запирающий слой , внутреннее электрическое поле которого препятствует дальнейшей диффузии свободных электронов и дырок через границу контакта.
Подключим теперь к нашему полупроводниковому элементу источник тока, подав «плюс» источника на n-полупроводник, а «минус» - на p-полупроводник (рис. 10 ).
Рис. 10. Включение в обратном направлении: тока нет
Мы видим, что внешнее электрическое поле уводит основные носители заряда дальше от границы контакта. Ширина запирающего слоя увеличивается, его электрическое поле возрастает. Сопротивление запирающего слоя велико, и основные носители не в состоянии преодолеть p–n-переход. Электрическое поле позволяет переходить границу лишь неосновным носителям, однако ввиду очень малой концентрации неосновных носителей создаваемый ими ток пренебрежимо мал.
Рассмотренная схема называется включением p–n-перехода в обратном направлении . Электрического тока основных носителей нет; имеется лишь ничтожно малый ток неосновных носителей. В данном случае p–n-переход оказывается закрытым.
Теперь поменяем полярность подключения и подадим «плюс» на p-полупроводник, а «минус»-на n-полупроводник (рис. 11 ). Эта схема называется включением в прямом направлении .
Рис. 11. Включение в прямом направлении: ток идёт
В этом случае внешнее электрическое поле направлено против запирающего поля и открывает путь основным носителям через p–n-переход. Запирающий слой становится тоньше, его сопротивление уменьшается.
Происходит массовое перемещение свободных электронов из n-области в p-область, а дырки, в свою очередь, дружно устремляются из p-области в n-область.
В цепи возникает ток , вызванный движением основных носителей заряда (Теперь, правда, электрическое поле препятствует току неосновных носителей, но этот ничтожный фактор не оказывает заметного влияния на общую проводимость).
Односторонняя проводимость p–n-перехода используется в полупроводниковых диодах . Диодом называется устройство, проводящие ток в лишь одном направлении; в противоположном направлении ток через диод не проходит (диод, как говорят, закрыт). Схематическое изображение диода показано на рис. 12 .
Рис. 12. Диод
В данном случае диод открыт в направлении слева направо: заряды как бы текут вдоль стрелки (видите её на рисунке?). В направлении справа налево заряды словно упираются в стенку - диод закрыт.
В нашей статье будут рассмотрены примеры полупроводников, их свойства и сферы применения. Эти материалы имеют свое место в радиотехнике и электронике. Они являются чем-то средним между диэлектриком и проводником. Кстати, простое стекло тоже можно считать полупроводником - в обычном состоянии оно ток не проводит. Зато при сильном нагреве (практически до жидкого состояния) происходит изменение свойств и стекло становится проводником. Но это исключительный пример, у других материалов все обстоит немного иначе.
Основные особенности полупроводников
Показатель проводимости составляет около 1000 Ом*м (при температуре 180 градусов). Если сравнивать с металлами, то у полупроводников происходит уменьшение удельной проводимости при возрастании температуры. Такое же свойство имеется у диэлектриков. У полупроводниковых материалов имеется достаточно сильная зависимость показателя удельной проводимости от количества и типа примесей.
Допустим, если ввести в чистый германий всего тысячную долю мышьяка, произойдет увеличение проводимости примерно в 10 раз. Все без исключения полупроводники чувствительны к воздействиям извне - ядерному облучению, свету, электромагнитным полям, давлению и т. д. Можно привести примеры полупроводниковых материалов - это сурьма, кремний, германий, теллур, фосфор, углерод, мышьяк, йод, бор, а также различные соединения этих веществ.
Особенности применения полупроводников
Благодаря тому, что у полупроводниковых материалов такие специфические свойства, они получили довольно широкое распространение. На их основе изготавливают диоды, транзисторы, симисторы, лазеры, тиристоры, датчики давления, магнитного поля, температуры, и т. д. После освоения полупроводников произошло коренное преобразование в автоматике, радиотехнике, кибернетике и электротехнике. Именно при помощи использования полупроводников удалось достичь таких маленьких габаритов техники - нет нужды использовать массивные блоки питания и радиолампы размером с полуторалитровую банку.
Ток в полупроводниках
В проводниках ток определяется тем, куда двигаются свободные электроны. В полупроводниковых материалах свободных электронов очень много, на это есть причины. Все валентные электроны, которые имеются в полупроводнике, не свободны, так как они связываются со своими атомами.
В полупроводниках ток может появляться и меняться в достаточно широких пределах, но только при наличии воздействия извне. Ток меняется при нагреве, облучении, введении примесей. Все воздействия способны значительно увеличить у валентных электронов энергию, что способствует их отрыву от атомов. А приложенное напряжение заставляет эти электроны перемещаться в определенном направлении. Другими словами, эти электроны становятся носителями тока.
Дырки в полупроводниках
При повышении температуры или интенсивности внешнего облучения происходит увеличение количества свободных электронов. Следовательно, увеличивается ток. Те атомы в веществе, которые потеряли электроны, становятся положительными ионами, они не перемещаются. С внешней стороны атома, с которого ушел электрон, остается дырка. В нее может встать другой электрон, который покинул свое место в атоме поблизости. В результате этого на внешней части у соседнего атома образуется дырка - он превращается в ион (положительный).
Если к полупроводнику приложить напряжение, то электроны начнут двигаться от одних атомов к соседним в определенном направлении. Дырки же начнут перемещаться во встречном направлении. Дырка - это положительно заряженная частица. Причем заряд у нее по модулю такой же, как у электрона. С помощью такого определения можно существенно упростить анализ всех процессов, которые протекают в полупроводниковом кристалле. Ток дырок (обозначается I Д) - это перемещение частиц в направлении, обратном движению электронов.
Электронно-дырочный переход
У полупроводника имеется два типа электропроводимости - электронная и дырочная. В чистых полупроводниках (без примесей) у дырок и электронов концентрация (N Д и N Э соответственно) одинаковая. По этой причине такая электропроводность называется собственной. Суммарное значение тока будет равно:
Но если учесть тот факт, что у электронов значение подвижности больше, чем у дырок, можно прийти к такому неравенству:
Подвижность заряда обозначается буквой М, это одно из главных свойств полупроводников. Подвижность - это отношение двух параметров. Первый - скорость перемещения носителя заряда (обозначается буквой V с индексом «Э» или «Д», в зависимости от типа носителя), второй - это напряженность электрического поля (обозначается буквой Е). Можно выразить в виде формул:
М Э = (V Э / Е).
М Д = (V Д / Е).
Подвижность позволяет определить путь, который проходит дырка или электрон за одну секунду при значении напряженность 1 В/см. можно теперь вычислить собственный ток полупроводникового материала:
I = N * e * (М Э + М Д) * E.
Но нужно отметить, что у нас есть равенства:
N = N Э = N Д.
Буквой е в формуле обозначается заряд электрона (это постоянная величина).
Полупроводниковые приборы
Сразу можно привести примеры полупроводниковых приборов - это транзисторы, тиристоры, диоды, и даже микросхемы. Конечно, это далеко не полный список. Чтобы изготовить полупроводниковый прибор, нужно использовать материалы, у которых проводимость дырочная или электронная. Чтобы получить такой материал, необходимо в идеально чистый полупроводник с концентрацией примесей менее 10 -11 % ввести добавку (ее называют легирующей примесью).
Те примеси, у которых валентность оказывается больше, чем у полупроводника, отдают свободные электроны. Эти примеси называются донорами. А вот те, у которых валентность меньше, чем у полупроводника, имеют свойство хватать и удерживать электроны. Их называют акцепторами. Для того чтобы получился полупроводник, который будет обладать лишь проводимостью электронного типа, в исходный материал достаточно ввести вещество, у которого валентность будет всего на единицу больше. Для примера полупроводников в физике школьного курса рассматривается германий - его валентность равна 4. В него добавляется донор - фосфор или сурьма, у них валентность равна пяти. Металлов-полупроводников немного, они практически не используются в технике.
При этом 4 электрона в каждом атоме осуществляют установку четырех парных (ковалентных) связей с германием. Пятый электрон не имеет такой связи, а значит, он в свободном состоянии. И если приложить к нему напряжение, он будет образовывать электронный ток.
Токи в полупроводниках
Когда ток электронов больше, чем дырок, полупроводник называют n-типа (отрицательного). Рассмотрим пример - в идеально чистый германий вводят немного примеси акцептора (допустим, бор). При этом каждый атом акцептора начнет устанавливать ковалентные связи с германием. Но вот четвертый атом германия не имеет связи с бором. Следовательно, у определенного количества атомов германия будет иметься только один электрон без связи ковалентного типа.
Но достаточно незначительного воздействия извне, чтобы электроны начали покидать свои места. При этом у германия образовываются дырки.
По рисунку видно, что на 2, 4 и 6 атомах свободные электроны начинают присоединяться к бору. По этой причине не создается ток в полупроводнике. На поверхности атомов германия образуются дырки с номерами 1, 3 и 5 - с их помощью происходит переход на них электронов от расположенных рядом атомов. На последних же начинают появляться дырки, так как электроны с них улетают.
Каждая дырка, которая возникает, начнет переходить между атомами германия. При воздействии напряжения дырки начинают двигаться упорядоченно. Другими словами, в веществе появляется ток дырок. Такой тип полупроводников называется дырочным или p-типа. При воздействии напряжения двигаются не только электроны, но и дырки - они встречают на своем пути разнообразные препятствия. При этом происходит потеря энергии, отклонение от изначальной траектории. Иными словами, заряд носителей рассеивается. Все это происходит из-за того, что в полупроводнике содержатся загрязняющие примеси.
Чуть выше были рассмотрены примеры веществ-полупроводников, которые используются в современной технике. У всех материалов имеются свои особенности. В частности, одно из ключевых свойств - это нелинейность вольт-амперной характеристики.
Иными словами, когда происходит увеличение напряжения, которое прикладывается к полупроводнику, происходит быстрое возрастание тока. Сопротивление при этом резко уменьшается. Такое свойство нашло применение в разнообразных вентильных разрядниках. Примеры неупорядоченных полупроводников можно более детально рассмотреть в специализированной литературе, их применение строго ограничено.
Хороший пример: при рабочем значении напряжения у разрядника сопротивление высокое, поэтому от ЛЭП ток не уходит в землю. Но как только в провод или опору ударяет молния, сопротивление очень быстро уменьшается практически до нуля, весь ток уходит в землю. И напряжение снижается до нормального значения.
Симметричная ВАХ
Когда происходит смена полярности напряжения, в полупроводнике ток начинает протекать в обратном направлении. И меняется он по тому же закону. Это говорит о том, что полупроводниковый элемент обладает симметричной вольт-амперной характеристикой. В том случае, если одна часть элемента имеет дырочный тип, а вторая - электронный, то на границе их соприкосновения появляется p-n-переход (электронно-дырочный). Именно такие переходы имеются во всех элементах - транзисторах, диодах, микросхемах. Но только в микросхемах на одном кристалле собирается сразу несколько транзисторов - иногда их количество более десятка.
Как происходит образование перехода
А теперь давайте рассмотрим, как происходит образование p-n-перехода. Если контакт дырочного и электронного полупроводников не очень качественный, то происходит образование системы, состоящей из двух областей. Одна будет иметь дырочную проводимость, а вторая - электронную.
И электроны, которые находятся в n-области, начнут диффундировать туда, где их концентрация меньше - то есть, в р-область. Одновременно с электронами дырки двигаются, но направление у них обратное. При взаимной диффузии происходит уменьшение концентрации в n-области электронов и в р-области дырок.
Основное свойство p-n-перехода
Рассмотрев примеры проводников, полупроводников и диэлектриков, можно понять, что свойства у них различные. Например, основное качество полупроводников - это возможность пропускания тока только лишь в одном направлении. По этой причине приборы, изготовленные с использованием полупроводников, получили широкое распространение в выпрямителях. На практике, используя несколько измерительных приборов, можно увидеть работу полупроводников и оценить массу параметров - как в режиме покоя, так и при воздействии внешних «раздражителей».
Ты, юный друг, современник технической революции во всех областях радиоэлектроники. Суть ее заключается в том, что на смену электронным лампам пришли полупроводниковые приборы, а их теперь все больше теснят микросхемы.
Предком одного из наиболее характерных представителей «армии» полупроводниковых приборов - транзистора - был так называемый генерирующий детектор, изобретенный еще в 1922 г. советским радиофизиком О. В. Лосевым. Этот прибор, представляющий собой кристалл полупроводника с двумя примыкающими к нему проволочками - проводниками, при определенных условиях мог генерировать и усиливать электрические колебания. Но он тогда из-за несовершенства не мог конкурировать с электронной лампой. Достойного полупроводникового соперника электронной лампе, названного транзистором, создали в 1948 г. американские ученые Браттейн, Бардин и Шокли. В нашей стране большой вклад в разработку полупроводниковых приборов внесли А. Ф. Иоффе, Л. Д. Ландау, Б. И. Давыдова, В.Е. Лошкарев и ряд других ученых и инженеров, многие научные коллективы.
Чтобы понять сущность явлений, происходящих в современных полупроводниковых приборах, нам придется «заглянуть» в структуру полупроводника, разобраться в причинах образования в нем электрического тока. Но перед этим хорошо бы тебе вспомнить ту часть первой беседы, где я рассказывал о строении атомов.
ПОЛУПРОВОДНИКИ И ИХ СВОЙСТВА
Напомню: по электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками тока. К сказанному добавлю, что к группе полупроводников относится гораздо больше веществ, чем к группам проводников и непроводников, взятых вместе. К полупроводникам, нашедшим практическое применение в технике, относятся германий, кремний, селен, закись меди и некоторые другие вещества. Но для полупроводниковых приборов используют в основном только германий и кремний.
Каковы наиболее характерные свойства полупроводников, отличающие их от проводников и непроводников тока? Электропроводность полупроводников сильно зависит от окружающей температуры. При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (- 273°С), они ведут себя по отношению к электрическому току как изоляторы. Большинство же проводников, наоборот, при такой температуре становятся сверхпроводимыми, т.е. почти не оказывают току никакого сопротивления. С повышением температуры проводников их сопротивление электрическому току увеличивается, а сопротивление полупроводников уменьшается. Электропроводность проводников не изменяется при действии на них света. Электропроводность же полупроводников под действием света, так называемая фотопроводность, повышается. Полупроводники могут преобразовывать энергию света в электрический ток. Проводникам же это совершенно не свойственно. Электропроводность полупроводников резко увеличивается при введении в них атомов некоторых других элементов. Электропроводность же проводников при введении в них примесей понижается. Эти и некоторые другие свойства полупроводников были известны сравнительно давно, однако широко использовать их стали сравнительно недавно.
Германий и кремний, являющиеся исходными материалами многих современных полупроводниковых приборов, имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона. Всего же в атоме германия 32 электрона, а в атоме кремния 14. Но 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях их оболочек, прочно удерживаются ядрами и ни при каких обстоятельствах не отрываются от них. Только четыре валентных электрона атомов этих полупроводников могут, да и то не всегда, стать свободными. Запомни: четыре! Атом же полупроводника, потерявший хотя бы один электрон, становится положительным ионом.
В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Они к тому же расположены настолько близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг всех соседних атомов, связывая их в единое вещество. Такую взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника можно представить себе в виде плоской схемы, как показано на рис. 72, а. Здесь большие шарики со знаком « + » условно изображают ядра атомов с внутренними слоями электронной оболочки (положительные ионы), а маленькие шарики - валентные электроны. Каждый атом, как видишь, окружен четырьмя точно такими же атомами. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, один из которых «свой», а второй заимствован у «соседа». Это двухэлектронная, или валентная, связь. Самая прочная связь!
Рис. 72. Схема взаимосвязи атомов в кристалле полупроводника (а) и упрощенная схема его структуры (б)
В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих и по одному от четырех соседних атомов. Здесь уже невозможно различить, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», поскольку они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу.
Схему взаимосвязи атомов в полупроводнике можно для наглядности упростить, изобразив ее так, как это сделано на рис. 72, б. Здесь ядра атомов с внутренними электронными оболочками показаны в виде кружков со знаком плюс, а межатомные связи - двумя линиями, символизирующими валентные электроны.
