Материал: Физические основы и схемотехника электронных устройств автоматики. Гиоргадзе А.L., Кириллов Ю.В
Рис. 1.9
Рис. 1.8а показывает, что у металлов зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне. Поэтому при нормальной температуре в металлах большое число электронов имеет энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости. Практически каждый атом металла отдает в зону проводимости по крайней мере один электрон. Таким образом, число электронов проводимости в металлах не меньше числа атомов.
Иная энергетическая структура характерна для диэлектриков. У них между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона, соответствующая уровням энергии, на которых электроны не могут находиться (рис. 1.8б). Ширина запрещенной зоны, т.е. разность между энергией нижнего уровня зоны проводимости и верхнего уровня валентной зоны, составляет несколько электрон-вольт. При нормальной температуре у диэлектриков в зоне проводимости имеется только очень небольшое число электронов, и поэтому диэлектрик обладает ничтожно малой проводимостью. Но при нагревании некоторые электроны валентной зоны, получая добавочную энергию, переходят в зону проводимости, и тогда диэлектрик приобретает заметную проводимость.
У полупроводников зонная диаграмма подобна изображенной на рис. 1.8б, но только ширина запрещенной зоны меньше, чем у диэлектриков, и в большинстве случаев составляет около одного электронвольта. Поэтому при низких температурах полупроводники являются диэлектриками, а при нормальной температуре значительное число электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости. Электропроводность полупроводников подробно рассматривается в следующих параграфах.
В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используются германий (Ge) и кремний (Si), имеющие валентность, равную 4. Внешние оболочки атомов
68
германия или кремния имеют четыре валентных электрона. Пространственная кристаллическая решетка состоит из атомов, связанных друг с другом валентными электронами. Такая связь, называемая ковалентной или парноэлектронной, изображена на рис. 1.10.
Рис. 1.10
Как видно, вокруг каждой пары атомов движутся по орбитам два валентных электрона, показанные на рисунке жирными точками. В условном плоскостном изображении такой кристаллической решетки (рис. 1.11) ковалентные связи показаны в виде прямых линий, а электроны – по-прежнему в виде точек (иногда для упрощения электроны вообще не показывают).
Рис. 1.11
69
1.4.2. Собственная электропроводность
Полупроводники представляют собой вещества, которые по удельной электрической проводимости занимают среднее положение между проводниками и диэлектриками.
При Т=300К у проводников удельная электрическая проводимость 104 – 106 См/см (напомним, что 1 См/см есть проводимость
1см3 вещества), у диэлектриков она меньше 10-19См/см, а, у полупроводников ее значения находятся в пределах от 10-10 до 104См/см. Как видно, для полупроводников характерен очень широкий диапазон удельной проводимости. Большинство веществ относится именно к полупроводникам. В настоящее время для полупроводниковых приборов помимо германия и кремния применяются некоторые химические соединения, например арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, фосфид индия InP и др.
Для полупроводников характерен отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления. При возрастании температуры сопротивление полупроводников уменьшается, а не увеличивается, как у большинства твердых проводников. Кроме того, электрическое сопротивление полупроводников очень сильно зависит от количества примесей, а также от таких внешних воздействий, как свет, электрическое поле, ионизирующее излучение и др.
Принцип работы полупроводниковых диодов и транзисторов связан с тем, что в полупроводниках существует электропроводность двух видов. Так же как и металлы, полупроводники обладают электронной электропроводностью, которая обусловлена перемещением электронов проводимости. При обычных рабочих температурах в полупроводниках всегда имеются электроны проводимости, которые очень слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое движение (колебания) между атомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием разности потенциалов могут начать двигаться в определенном направлении. Такое дополнительное движение и есть электрический ток.
Полупроводники обладают также дырочной электропроводностью, которая не наблюдается в металлах. Она является особенностью полупроводников, и поэтому ее надо рассмотреть более подробно.
В атоме полупроводника под влиянием тепловых или дру-
70
гих воздействий один из более удаленных от ядра валентных электронов переходит в зону проводимости. Тогда атом будет иметь положительный заряд, численно равный заряду электрона. Такой атом можно назвать положительным ионом. Но надо иметь в виду, что при ионной электропроводности, например в электролитах, ток представляет собой движение ионов (само слово «ион» означает «путешественник»), а при дырочной электропроводности механизм перемещения электрических зарядов иной. В полупроводниках кристаллическая решетка достаточно прочна. Ее ионы не передвигаются, а остаются на своих местах.
Отсутствие электрона в атоме полупроводника условно назвали дыркой. Этим подчеркивают, что в атоме не хватает одного электрона, т.е. образовалось свободное место. Дырки ведут себя, как элементарные положительные заряды.
Возникновение дырки поясняется с помощью знакомой нам плоскостной модели полупроводника (рис. 1.12). Один из электронов, участвующих в ковалентной связи, получив дополнительную энергию, становится электроном проводимости, т.е. свободным носителем заряда, и может перемещаться в кристаллической решетке. А его прежнее место теперь свободно. Это и есть дырка, изображенная на рисунке светлым кружком.
Рис. 1.12
При дырочной электропроводности под влиянием приложенной разности потенциалов перемещаются дырки, что эквивалентно перемещению положительных зарядов. Такой процесс показан на рис. 1.13, где изображено для различных моментов времени несколько атомов, расположенных вдоль полупроводника. Пусть в начальный момент времени (рис. 1.13а) в крайнем атоме слева (1) появилась дырка, вследствие того, что из атома ушел электрон.
71
Атом с дыркой (заштриховано) имеет положительный заряд и может притянуть к себе электрон из соседнего атома 2. Если в полупроводнике действует электрическое поле (разность потенциалов), то это поле стремится двигать электроны в направлении от отрицательного потенциала к положительному. Поэтому в следующий момент (рис. 1.13б) из атома 2 один электрон перейдет в атом 1 и заполнит дырку, а новая дырка образуется в атоме 2. Далее один электрон из атома 3 перейдет в атом 2 и заполнит в нем дырку. Тогда дырка возникнет в атоме 3 (рис. 1.13в) и т. д. Такой процесс будет продолжаться, и дырка перейдет из крайнего левого атома в крайний правый. Иначе говоря, первоначально возникший в атоме 1 положительный заряд перейдет в атом 6 (рис. 1.13е).
Рис. 1.13
Как видно, при дырочной электропроводности в действительности тоже перемещаются электроны, но более ограниченно, чем при электронной электропроводности. Электроны переходят из данных атомов только в соседние. Результатом этого является перемещение положительных зарядов – дырок – в направлении, противоположном движению электронов.
Можно провести для наглядности следующую аналогию. Представим себе зал с рядами кресел, заполненных зрителями (в этом примере зрители играют роль электронов). Пусть один зритель из первого ряда ушел, а в освободившееся кресло пересел зри-
72