Нелинейные элементы и цепи

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Электропроводность полупроводников

Классификация твердых тел по электропроводности. По электропроводности твердые тела разделяют на три группы:

=> проводники, к которым относят металлы и их сплавы с малым удельным электрическим сопротивлением (р < КГ ⁴ Ом-см), например, алюминий — р = 2,63- 10 ⁶ Ом-см, медь — р = 1,72 10 ⁶ Ом-см, серебро — р = 1,62 КГ⁶ Ом-см;

=> диэлектрики, имеющие чрезвычайно большое удельное сопротивление (р > 10⁹ Ом-см), например, янтарь — 5−10¹⁶ Ом-см, слюда — 1,3*10¹⁴ Ом-см, стекло— 1 • 10¹⁴ Ом-см;

=> полупроводники, удельное сопротивление которых лежит в пределах 10^-4. Л О⁹ Ом-см {германий — 45 Ом-см, кремний — 23* 10⁴ Ом-см, арсенид галлия — 4 10⁸ Ом-см), частично перекрываясь с удельными сопротивлениями проводников и диэлектриков.

Механизм электропроводности в твердых телах. Для выявления причины различия в свойствах проводников, полупроводников и диэлектриков рассмотрим в общих чертах механизм проводимости в твердых телах.

Известно, что атом любого вещества состоит из атомного ядра с положительным зарядом и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Орбиты электронов удалены на различное расстояние от атомного ядра и группируются в электронные оболочки. Электроны внешней оболочки, или валентные электроны, являются наиболее акгивными, гак как связаны с атомным ядром гораздо слабее внутренних электронов. Взаимодействие валентных электронов обеспечивает соединение атомов в молекулы или в кристаллическую решетку.

Электропроводность металлов. В металлах внешние электронные оболочки атомов перекрываются в столь сильной степени, что атомы могут свободно обмениваться электронами. Электроны внешней оболочки не имеют жесткой связи с каким-либо определенным атомом или группой атомов и могут свободно перемещаться в объеме.

В отсутствие приложенного напряжения электроны совершают сложное хаотическое тепловое движение. Через сечение металлического провода в единицу времени проходит одинаковое количество электронов в обе стороны, что свидетельствует об отсутствии тока. Если подсчитать число электронов, проходящих через это сечение, то окажется, что число электронов, проходящих слева направо, всегда будет равно числу электронов, проходящих справа налево. А это значит, что электрического тока в этом объеме металла нет.

Если к проводнику подключить источник напряжения, то под действием сил электрического поля электроны изменят траекторию своего движения. Такое упорядоченное движение электронов в электрическом поле носит название дрейфа. Дрейф электронов в электрическом иоле, т. е. упорядоченное движение зарядов в одном направлении, представляет собой электрический ток. Следует иметь в виду, что за техническое направление тока «от плюса к минусу во внешней цепи» принимается направление движения положительных носителей заряда (дырок). Электроны, являющиеся отрицательными носителями заряда, будут двигаться в обратном направлении. Таким образом, в процессе переноса тока в металлах участвуют валентные электроны, количество которых при любой температуре равно числу атомов в данном объеме металла (= 10²²см~³) или больше него. Этим обусловлено малое сопротивление металлов.

Электропроводность диэлектриков. В обычных условиях в диэлектриках практически нет свободных носителей зарядов. Их весьма малая электропроводность носит ионный характер и определяется ничтожным числом ионов, входящих в состав диэлектрика.

Электропроводность полупроводников. Рассмотрим поведение валентных электронов в таких широко распространенных полупроводниках, относящихся к четырехвалентной группе, как кремний (или германий), внешняя электронная оболочка атома которого содержит четыре электрона. Каждый из этих электронов образует с четырьмя соседними атомами парно электронные, или ковалентные, связи (рис. 1, а), причем каждая пара электронов движется по одной орбите, охватывающей оба атома (рис. 2, а). Эти связи являются устойчивыми. Такая пара электронов жестко связана со своей парой атомов и не может свободно перемещаться в объеме полупроводника. Так как все валентные.

электроны задействованы в ковалентных связях, в полупроводнике не остается свободных носителей заряда и при температуре, близкой к абсолютному нулю, он является хорошим диэлектриком. Для выявления и рассмотрения механизмов электропроводности полупроводника воспользуемся его зонной моделью, которая может быть представлена в виде энергетической диаграммы (рис. 1,6), содержащей валентную зону, зону проводимости и расположенную между ними запрещенную зону шириной AW. При комнатной температуре для кремния ширина запрещенной зоны AfV = 1,12 эВ, для германия — Д? = 0,66 эВ. При сообщении электрону некоторого количества энергии, превышающего ДIV, он может перейти из валентной зоны (покинув ковалентную связь) в верхнюю незаполненную зону и превратиться в свободный носитель заряда. В этой зоне электрон приобретает возможность изменять свою энергию под действием сил электрического поля, т. е. в этой зоне электрон становится электроном электропроводности. Поэтому верхняя зона свободных электронов получила название зоны проводимости. После перехода электронов в зону проводимости в валентной зоне появляются вакантные уровни, которые могут занимать другие электроны. Они могут участвовать в процессе протекания тока через кристалл.

б).

Рис. 1. Ковалентные связи (а) в полупроводнике и его зонная модель (6).

Таким образом, имеют место два механизма проводимости:

=> за счет движения свободных электронов в зоне проводимости;

=> за счет движения валентных электронов в валентной зоне. Рассмотрим влияние температуры и примесей на электропроводность полупроводников.