Полупроводниковые материалы

К полупроводникам принято относить вещества, атомы которых имеют четыре валентных электрона на внешней электронной оболочке. Удельное электрическое сопротивление чистых полупроводниковых материалов высокое и составляет у германия (Ge) r = 60 Ом×см, у кремния (Si) r = 3×10⁵ Ом×см. Собственная проводимость полупроводников обусловлена явлением термогенерации, то есть появления свободных носителей зарядов под воздействием температуры (с ростом температуры образуется больше свободных носителей зарядов). В полупроводниках образуются заряды двух типов: отрицательные электроны и положительные «дырки». Однако ток собственной проводимости весьма мал, поэтому полупроводниковые материалы в «чистом» виде практически не используются.

Для увеличения тока проводимости в полупроводник добавляют примеси, от валентности которых зависит, какие заряды будут преобладать.

Добавление пятивалентной примеси (фосфора Р, сурьмы Sb или мышьяка As) позволяет получить электронную проводимость: четыре электрона атома примеси образуют ковалентные связи с атомами полупроводника, а пятый валентный электрон оказывается избыточным (рис. 1.1). Он слабо связан с атомом примеси, может легко покинуть свою орбиту и участвовать в создании тока проводимости. Атом примеси, от которого оторвался электрон, превращается в положительно заряженный ион, неподвижно закреплённый в кристаллической решётке. Полупроводник, легированный пятивалентной примесью (донором), называется полупроводником n-типа.

Рис. 1.1. Кристаллическая структура с пятивалентным атомом примеси

Добавление трёхвалентной примеси (бора B, индия In или алюминия Al) позволяет получить «дырочную» проводимость. Три валентных электрона каждого атома примеси образуют только три ковалентные связи, а для четвёртой ковалентной связи, необходимой для образования устойчивой кристаллической решётки, атом примеси «забирает» электрон у четвёртого атома полупроводника, который превращается в положительно заряженную «дырку» (рис. 1.2). Сам атом примеси становится отрицательно заряженным неподвижным ионом. Привлекая валентные электроны полупроводника, атомы примеси увеличивают концентрацию «дырок» в объёме вещества, поэтому полупроводник, легированный трёхвалентной примесью (акцептором), называется полупроводником p-типа.

Рис. 1.2. Кристаллическая структура с трёхвалентным атомом примеси

Число атомов примеси мало по сравнению с числом атомов полупроводника, однако проводимость получившегося сплава резко возрастает, так как концентрация основных носителей зарядов, получающихся от атомов примеси (электронов в полупроводнике n-типа и дырок - в p-типа), весьма высока. При температуре даже 0 ⁰С практически все атомы примеси ионизированы.