Електрически ток в полупроводници

Между проводниците и диелектриците, по отношение на съпротивлението, са разположени полупроводници… Силиций, германий, телур и др. — много елементи от периодичната таблица и техните съединения принадлежат към полупроводници. Много неорганични вещества са полупроводници. Силицийът е по -широк от другите в природата; земната кора се състои от 30% от него.

Основната поразителна разлика между полупроводниците и металите се крие в отрицателния температурен коефициент на съпротивление: колкото по -висока е температурата на полупроводника, толкова по -ниско е неговото електрическо съпротивление. За металите е обратното: колкото по -висока е температурата, толкова по -голямо е съпротивлението. Ако полупроводникът се охлади до абсолютна нула, той става диелектрик.

По -висока температура — по -ниско съпротивление

Тази зависимост на проводимостта на полупроводниците от температурата показва, че концентрацията безплатни превозвачи на такси в полупроводниците не е постоянен и се увеличава с температурата. Механизмът на преминаване на електрически ток през полупроводник не може да бъде сведен до модела на газ от свободни електрони, както в металите. За да разберем този механизъм, можем да го разгледаме например върху германиев кристал.

В нормално състояние германиевите атоми съдържат четири валентни електрона на външната си обвивка — четири електрона, които са слабо свързани с ядрото. Освен това всеки атом в кристалната решетка на германий е заобиколен от четири съседни атома. И връзката тук е ковалентна, което означава, че се образува от двойки валентни електрони.

Оказва се, че всеки от валентните електрони принадлежи едновременно на два атома, а връзките на валентните електрони вътре в германия с неговите атоми са по -силни, отколкото в металите. Ето защо при стайна температура полупроводниците провеждат ток с няколко порядъка по -лошо от металите. А при абсолютна нула всички валентни електрони на германия ще бъдат заети в връзки и няма да има свободни електрони, които да осигурят тока.

С повишаване на температурата някои от валентните електрони придобиват енергия, която става достатъчна за разкъсване на ковалентни връзки. Така възникват електроните на свободна проводимост. В зоните на скъсване на връзки се образуват един вид свободни работни места — дупки без електрони.

Тази дупка може лесно да бъде заета от валентен електрон от съседна двойка, след което дупката ще се измести на място при съседния атом. При определена температура в кристала се образува определен брой така наречени двойки електрон-дупка.

В същото време протича процесът на рекомбинация на електрони с дупки — дупка, срещаща се със свободен електрон, възстановява ковалентната връзка между атомите в германиев кристал. Такива двойки, състоящи се от електрон и дупка, могат да възникнат в полупроводник не само от температурно действие, но и когато полупроводникът е осветен, тоест поради падащата върху него енергия електромагнитно излъчване.

Ако към полупроводника не се приложи външно електрическо поле, тогава свободните електрони и дупките участват в хаотично топлинно движение. Но когато полупроводник е поставен във външно електрическо поле, електроните и дупките започват да се движат по подреден начин. Така се ражда полупроводников ток.

Състои се от електронен ток и ток на дупка. В полупроводника концентрацията на дупки и електроните на проводимост са равни.И само в чистите полупроводници го прави механизъм за провеждане на електронни дупки… Това е собствената електрическа проводимост на полупроводника.

Примесна проводимост (електрон и дупка)

Ако в полупроводника има примеси, то неговата електропроводимост се променя значително в сравнение с чистия полупроводник. Добавянето на примес под формата на фосфор към силициев кристал, в количество от 0,001 атомни процента, ще увеличи проводимостта с повече от 100 000 пъти! Такъв значителен ефект от примесите върху проводимостта е разбираем.

Основното условие за растежа на проводимостта от примеси е разликата между валентността на примесите и валентността на основния елемент. Такава проводимост с примеси се нарича примесна проводимост и може да бъде електрон и дупка.

Германиевият кристал започва да има електронна проводимост, ако в него се въведат петивалентни атоми, да речем, арсен, докато валентността на атомите на самия германий е четири. Когато пентавалентният арсенов атом е на мястото на кристалната решетка на германий, четирите външни електрона на арсеновия атом са включени в ковалентни връзки с четири съседни атома германий. Петият електрон на арсеновия атом става свободен, той лесно напуска атома си.

А изоставеният от електрона атом се превръща в положителен йон на мястото на кристалната решетка на полупроводника. Това е така наречената донорна примес, когато валентността на примеса е по-голяма от валентността на основните атоми. Тук се появяват много свободни електрони, поради което с въвеждането на примес електрическото съпротивление на полупроводника пада хиляди и милиони пъти. Полупроводник с голямо количество добавени примеси приближава металите по проводимост.

Въпреки че електроните и дупките са отговорни за присъщата проводимост в легиран с арсен германиев кристал, електроните, напуснали арсеновите атоми, са основните носители на свободния заряд. В такава ситуация концентрацията на свободни електрони значително надвишава концентрацията на дупки и този тип проводимост се нарича електронна проводимост на полупроводника, а самият полупроводник се нарича полупроводник от n-тип.

Ако вместо пентавалентен арсен, към германиевия кристал се добави тривалентен индий, той ще създаде ковалентни връзки само с три атома германий. Четвъртият германиев атом ще остане без връзка с индиевия атом. Но ковалентен електрон може да бъде уловен от съседни атоми на германий. Тогава индийът ще бъде отрицателен йон, а съседният германиев атом ще заеме свободно място на мястото, където е съществувала ковалентната връзка.

Такъв примес, когато примесен атом улавя електрони, се нарича акцепторна примес. Когато се въведе акцепторна примес, в кристала се разрушават множество ковалентни връзки и се образуват много дупки, в които електроните могат да скочат от ковалентни връзки. При липса на електрически ток дупките се движат хаотично над кристала.

Приемник на акцептор води до рязко увеличаване на проводимостта на полупроводника поради създаването на изобилие от дупки и концентрацията на тези дупки значително надвишава концентрацията на електрони на собствената електрическа проводимост на полупроводника. Това е проводимост на дупките и полупроводникът се нарича р-тип полупроводник. Основните носители на заряд в него са дупки.