Влияние температуры на электропроводность полупроводников

С повышением температуры атомы начинают совершать тепловое колсба;

тельное движение. Энергия атомов передается электронам. Для некоторых электронов этой энергии оказывается достаточно, чтобы оторвать их от своих атомов. Оторвавшийся от своего атома электрон свободно перемещается внутри объема полупроводника (рис. 2, я, 6), т. е. становится свободным носителем тока. Электропроводность полупроводника возрастает, так как увеличивается количество электронов, покидающих связи. Однако общее количество электронов, являющихся свободными носителями тока, остается во много миллионов раз меньше числа атомов. Этим объясняется количественное различие в проводимости полупроводников и металлов.

Рис. 2. Влияние температуры на электропроводность полупроводников.

Уход электрона приводит к частичной ионизации двух соседних атомов. Появляющийся при этом единичный положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона, относят не к тому или иному атому, а к дефектной связи, оставленной электроном. Такой положительный заряд принято называть дыркой, представляющей собой вакантное место для электрона валентной зоны, а возможно, и зоны проводимости.

Переход элеюрона из заполненной связи в дефектную связь соответствует перемещению дырки в обратном направлении. При отсутствии в кристалле электрического поля процесс заполнения дефектных связей (дырок электронами) носит случайный характер, траектория движения дырки подчиняется законам хаотического движения. Если поместить кристалл в электрическое поле, то дырка будет перемещаться вдоль линий электрического поля. Направленное перемещение дырки (положительного заряда) в электрическом поле есть протекание электрического тока, хотя, строго товоря, носителями заряда являются электроны. Однако практически гораздо удобнее рассматривать непрерывное движение положительного заряда, образующегося в дефектной связи, чем поочередное движение электронов из связи в связь.

Таким образом, нарушение валентной связи за счет тепловой энергии приводит к появлению в кристалле полупроводника двух свободных носителей заряда: отрицательного единичного заряда — электрона, и противоположного ему по знаку положительного единичного заряда — дырки. Электропроводность, возникающая в кристалле полупроводника за счет нарушения валентных связей, называется собственной электропроводностью.

Появление электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне на энергетической диаграмме представлено на рис. 2,в. Стрелкой условно обозначен переход электрона из валентной зоны в зону проводимости. В валентной зоне осталась дырка.

Влияние примесей на электропроводность полупроводников. Помимо температуры на электропроводность полупроводников в сильной степени влияют принеси. Добавка примеси в полупроводник называется легированием. Рассмотрим два случая.

Введем в структуру идеального полупроводника атом вещества.

V группы (например, сурьмы), имеющий во внешней оболочке не четыре, а пять валентных электронов. Пятый электрон в данном случае окажется избыточным и будет значительно слабее связан со своим атомом (рис. 3, я). Для его высвобождения и перевода в зону проводимости (превращения в свободный носитель заряда) требуется значительно меньшее количество энергии AW⁷/;(рис. 3,6), чем ДWдля высвобождения электрона из валентной связи. Поэтому уровни, на которых находятся такие электроны при очень низких температурах, располагаются в запрещенной зоне вблизи от дна зоны проводимости (рис. 3,6), и уже при незначительном повышении температуры они получают количество энергии, достаточное для перехода в зону проводимости. Энергия AW_D, затрачиваемая для переброса избыточного электрона в зону проводимости, называется энергией активации примеси.

Уход избыточного электрона превращает атом сурьмы в положительный ион, который будет прочно связан с кристаллической решеткой вещества и нс будет перемещаться подобно дырке. Таким образом, наличие в кристаллической решетке кремния (германия) примесного атома.

V группы привело к появлению в зоне проводимости свободного электрона;

=> не оставило дефектной связи (дырки) в валентной зоне.

Следует отметить, что избыточный электрон может занять место дырки в валентной зоне (рис. 3, л).

Рис. 3. Влияние донорных примесей на электропроводность полупроводников.

Увеличение примесных атомов сурьмы в кремнии (германии) приводит к повышению концентрации свободных электронов без увеличения количества дырок, как это имело место в случае собственной электропроводности. Когда концентрация электронов значительно превысит концентрацию дырок, электроны становятся основными носителями заряда, а дырки — неосновными. Можно считать, что в таком кристалле ток в основном переносится электронами. Примеси, способные отдавать электроны в зону проводимости, называются донорными примесями, или донорами.

Рассмотрим другой случай, когда в кристаллическую решетку кремния (германия) вводится атом III группы периодической системы элементов, например галлий, внешняя электронная оболочка которого содержит всего три валентных элекгрона. В кристаллической решетке элементов IV группы атом галлия заполняет только три валентные связи, четвертая связь остается незаполненной. Однако незаполненная связь не несет заряда, и атом галлия и смежный с ним атом кремния являются электрически нейтральными. При небольшом тепловом возбуждении электрон одной из соседних заполненных валентных связей или свободный электрон валентной зоны (рис. 4,а) может перейти в эту связь. Во внешней оболочке галлия при этом появляется лишний электрон, атом галлия теряет свою электрическую нейтральность и иревращаегся в отрицательный ион. Нарушается и электрическая нейтральность в той связи, откуда электрон перешел в дефектную связь галлия. В этой связи появляется положительный заряд — дырка. Таким образом, с введением в кремний (германий) примеси III группы повышается концентрация дырок. При достаточной концентрации атомов такой примеси дырки станут основными носителями, а электроны — неосновными носителями.

Рис. 4. Влияние акцепторных примесей на электропроводность полупроводников.

Введение

атома галлия в решетку элементов IV группы приводит к появлению свободного уровня вблизи от потолка валентной зоны. При низких температурах этот уровень остается свободным. При небольшом повышении температуры один из валентных электронов покидает валентную зону и занимает этот уровень, оставляя после себя в валентной зоне свободный уровень — дырку (рис. 4,6). Примеси, способные принимать на свои уровни валентные электроны, называются акцепторными примесями, или акцепторами.

Таким образом:

=> донорные примеси за счет эмиссии электронов с донорных уровней в зону проводимости обеспечивают электронную электропроводность полупроводников. Их называют полупроводниками с электронной электропроводностью, или полупроводниками п-типа (от латинского negative — отрицательный);

=> акцепторные примеси, принимая валентные электроны на акцепторные уровни, приводят к появлению в полупроводниках дырочной электропроводности. Их называют дырочными полупроводниками, или полупроводниками p-типа (от латинского positive — положительный).

Примесная (электронная и дырочная) проводимость обычно значительно превосходит собственную проводимость полупроводника. Избыточные для данного полупроводника носители заряда называются основными, носители заряда противоположного знака — неосновными. В полупроводнике с электронной проводимостью основными носителями заряда являются электроны, в полупроводнике с дырочной проводимостью — дырки.