О ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ

Все материалы, существующие в природе, можно разделить на две группы:

– проводники;

– диэлектрики.

К проводникам относятся материалы, обладающие высокой электропроводностью. Электропроводностью называется свойство вещества проводить электрический ток. Этот ток представляет собой упорядоченное движение носителей электрических зарядов под действием электрического поля. В металлах носителями зарядов являются электроны.

Атомы любого вещества состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Электроны вращаются вокруг ядра по нескольким орбитам, расположенным на разных расстояниях от ядра. Чем на бóльшем удалении от ядра расположена орбита электрона, тем меньше энергии требуется для отделения этого электрона от ядра атома.

В атомах можно различить две зоны расположения орбит электронов:

a) валентная зона, расположенная в непосредственной близости от ядра атома. В этой зоне электроны прочно удерживаются на своих орбитах, поэтому она полностью заполнена электронами. Свободные носители зарядов в этой зоне отсутствуют.

b) зона проводимости, расположенная за пределами валентной зоны. В этой зоне электроны слабее связаны с ядром, поэтому они могут легко отделяться от ядра своего атома и совершать хаотическое движение, переходя от одних атомов к другим. Электроны, не принадлежащие к какому-либо конкретному атому, называются свободными электронами. Именно эти электроны обеспечивают электропроводность материала. Чем большее число свободных электронов находится в единице объема вещества, тем большей электропроводностью обладает это вещество.

Между валентной зоной и зоной проводимости имеется так называемая запрещенная зона, в которой электронные орбиты отсутствуют. Это означает, что для перехода из валентной зоны в зону проводимости электрон должен приобрести значительно больше энергии, чем для перехода с одной орбиты на другую внутри валентной зоны. Ширина запрещенной зоны у разных материалов различна.

В диэлектрических материалах подавляющее большинство электронов валентной зоны находятся на орбитах, расположенных на меньших удалениях от ядра, чем в металлах. Ширина запрещенной зоны в них составляет более 3 еВ. Поэтому в диэлектриках электроны прочно связаны с ядрами своих атомов, и для отделения от ядра электроны должны приобрести значительную энергию. По этой причине диэлектрические материалы практически не имеют свободных носителей электрических зарядов.

У проводников запрещенная зона отсутствует. В металлах электроны могут легко переходить из валентной зоны в зону проводимости и участвовать в создании электрического тока. Поэтому все металлы являются хорошими проводниками.

Существуют кристаллические материалы, у которых ширина запрещенной зоны занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками – от 0 до 3 еВ. Такие материалы называют полупроводниками. Именно на основе таких материалов создаются электронные приборы, которые называются полупроводниковыми приборами. Наиболее распространенными материалами, используемыми для изготовления полупроводниковых приборов, являются германий и кремний.

Электропроводность различных материалов можно пояснить с помощью энергетических зонных диаграмм. Диаграмма отображает энергетические уровни электронов, находящихся на каждой из орбит для материалов различных групп: проводников, диэлектриков и полупроводников (рис. 5.4.1). На зонных энергетических диаграммах по вертикальной оси откладывается энергия электронов W .

Германий и кремний являются элементами IV группы периодической системы Менделеева и образуют кристаллическую решетку, подобную кристаллической решетке алмаза. В кристаллической решетке атомы располагаются в пространстве в строго определенном порядке. На внешней оболочке каждого атома германия или кремния находятся четыре электрона, которые играют решающую роль в формировании кристаллической структуры этих материалов.

Рис. 5.4.1. Энергетические зонные диаграммы

a) – проводника b) – диэлектрика c) – полупроводника

Прочная связь атомов в кристаллической решетке обеспечивается за счет обобществления валентных электронов: каждый атом отдает в общее пользование четырем соседним атомам по одному валентному электрону, а каждый из четырех соседних атомов, в свою очередь, отдает этому атому по одному своему электрону. Указанные электроны образуют валентные пары, прочно соединяющие между собой соседние атомы кристалла. Такая связь между атомами вещества называется ковалентной связью (рис. 5.4.2). Как видно из рисунка, вокруг каждой пары атомов движутся по орбитам два валентных электрона (электроны показаны жирными точками). В условном плоскостном изображении такой кристаллической решетки (рис. 5.4.3) ковалентные связи показаны в виде прямых линий, а электроны – в виде точек (иногда для упрощения точки вообще не показывают).

Рис. 5.4.2. Ковалентная связь Рис. 5.4.3. Плоскостная схема

между атомами германия кристаллической решетки германия

При низких температурах все ковалентные связи полупроводникового материала заполнены электронами, и свободных электронов в веществе нет. Поэтому при низких температурах он ведет себя как изолятор.

При повышении температуры тепловые колебания кристаллической решетки передаются валентным электронам. При этом электроны получают дополнительную энергию, и некоторые из них покидают свои места и становятся свободными (не связанными с каким-либо конкретным атомом). Освободившиеся ковалентные орбиты образуют вакансии, которые называются "дырками". В чистом полупроводниковом материале концентрация свободных электронов равна концентрации "дырок". Процесс образования свободных электронов и "дырок" называется генерацией электронно-дырочной пары. Образовавшиеся свободные электроны называются электронами проводимости и являются носителями отрицательных зарядов. "Дырки" являются носителями положительных зарядов.

Свободные электроны, перемещающиеся в пределах кристаллической решетки, могут заполнять вакантные ковалентные орбиты, в результате чего свободные электроны и "дырки" прекращают свое существование. Указанный процесс называется рекомбинацией.

Если образец из полупроводникового материала подключить к источнику постоянного напряжения, то под действием электрического поля, создаваемого этим источником, электроны и "дырки" будут двигаться навстречу друг другу, образуя электрический ток. Таким образом, в полупроводниковых материалах электрический ток создается носителями зарядов обоих типов: электронами и "дырками".

Строение кристаллов германия и кремния позволяет заменять некоторые атомы этих материалов другими атомами, имеющими такие же геометрические размеры, но отличающимися по валентности.

Например, если в чистый полупроводниковый материал ввести элементы с валентностью 5 (мышьяк, висмут, фосфор), то в каждом атоме четыре электрона будут использоваться в кристаллических соединениях, а один электрон может легко покинуть свой атом и стать свободным носителем электрического заряда.

В этом случае вводимое вещество является поставщиком отрицательных зарядов. Поэтому такое вещество называется донором или примесью n-типа ("n" – от слова "negative").

Если, наоборот, в чистый полупроводниковый материал ввести элементы с валентностью 3 (например, бор, алюминий, галлий, индий), то все три электрона образуют валентные пары с соседними атомами исходного материала, и еще остается одна незаполненная вакансия ("дырка"). Такие трехвалентные вещества называются акцепторами или примесями p-типа ("p" – от слова "positive").

Таким образом, если в чистый полупроводниковый материал ввести соответствующие примеси, то в этом материале появятся свободные носители электрических зарядов. Полученный материал обладает свойством электропроводности. При низкой температуре электропроводность этого материала определяется концентрацией носителей зарядов только одного знака (электронов или "дырок", в зависимости от типа примеси).

При повышении температуры, благодаря термогенерации, в полупроводниковом материале дополнительно появляются носители зарядов обоих знаков. В этом случае в электропроводности принимают участие как электроны, так и "дырки". Однако, основной вклад в этот процесс вносят носители заряда, образовавшиеся в результате введения примесей, т. к. их концентрация больше, чем концентрация носителей, образовавшихся в результате термогенерации. Поэтому носители зарядов, образованные введением примесей, называются основными носителями, а носители противоположного знака, образовавшиеся в результате термогенерации, – неосновными.