полупроводници- материали, които по своята специфична проводимост заемат междинно положение между проводници и диелектрици. В природата те съществуват под формата на елементи (4,5,6 групи), например Si, Ge, As, Se и химични съединения на сулфиди, оксиди и др.
Разграничете собствени (чисти) и нечистотииполупроводници.
При нагряване до температура T>0 K, както и при осветяване или облъчване, електронните (ковалентни) връзки могат да се разкъсат, което води до образуването на свободни електрони.В точката, където ковалентната връзка е скъсана, се освобождава свободно място за появява се електрон - дупка, което съответства на положителен заряд. Дупката може да бъде заета или от електрони от съседни ковалентни връзки, или от свободен електрон. В резултат на това той започва да се движи около кристала. С повишаване на температурата се увеличава броят на свободните електрони (разкъсват се повече връзки) и съответно дупките.
Когато се създаде електрическо поле в такъв полупроводник чрез свързването му към електропроводима верига, ще възникне насочено движение на електрони и дупки, тоест ще протече електрически ток.
Така в чистите полупроводници при нормални условия винаги има равен брой свободни електрони и дупки, които определят естествена електрическа проводимост на полупроводник.Собствената проводимост е проводимостта на собствените (чисти) полупроводници (Ge, Se, GaAs).
От гледна точка квантова (лентова) теорияполупроводниците имат освен валентна зона (I) и проводяща зона (3). забранена зона (2), чиято енергийна стойност не могат да имат електроните.
При T = 0 K валентната зона е напълно запълнена с електрони и забранената зона , е малък, енергийните нива на проводящата зона са свободни. Ако електроните получават енергия при нагряване на полупроводник или енергия от електромагнитно поле , Когато се облъчват със светлина или радиоактивно лъчение, електроните могат да се преместят в зоната на проводимост (Фигура 3), като се освобождават. В този случай във валентната лента се появяват дупки.Полупроводникът е способен да провежда ток, чиито носители ще бъдат електрони и дупки. Няма противоречия между класическите концепции и квантовите.
И така, токът на присъщата проводимост на полупроводника се състои от тока на електрони и дупки.
Примесна проводимост на полупроводници
В зависимост от естеството на примеса, проводимостта на примесите може да бъде два вида: n-тип - електронен, p-тип - дупка. n-тип проводимостсе образува, когато основният полупроводник (например силиций) ) добавя се малко количество примес с висока валентност (например арсен). Тогава, когато се конструира кристална решетка, примесният атом ще има допълнителен електрон. Примесните електрони ще бъдат добавени към електроните на присъщата проводимост. Но поради тази причина концентрацията на електрони ще бъде много по-голяма от тази на дупки. Основните носители на ток ще бъдат електрони (има много от тях), а малцинствените носители ще бъдат дупки (има малко от тях). Тази проводимост на примесния полупроводник се нарича n-тип (електронен), тъй като примесът е донор (доставчик) на електрони. В случай, че примесът има по-ниска валентност от основния полупроводник (например силиций Si)с бор б, тогава при конструирането на решетка на борните атоми ще липсва един електрон. Ще се появи незапълнен отвор за връзка. В полупроводник с примеси концентрацията на дупки ще бъде значително по-голяма от тази на електрони. Този вид примесна проводимост се нарича p-тип (отвор), тъй като примесът е колектор (акцептор) на електрони. Наличието дори на малко количество примеси увеличава проводимостта на полупроводника милиони пъти, така че токът в полупроводник с примеси се генерира главно от електрони или дупки.
Квантова теорияобяснява образуването на примесни полупроводници чрез различни позиции на енергийните нива на донори и акцептори (примеси) по отношение на валентната лента (1) на проводимостта (3) в полупроводниковия кристал. Енергийните нива на донора са близкидо нивата на проводящата лента. Електроните лесно преминават в него, без да образуват дупки във валентната лента. Основните носители ще бъдат електрони (n-тип). Енергийните нива на акцептора са по-близо до валентната лента, така че е лесно за електроните във валентната лента да я напуснат, образувайки дупки в нея. Основните носители ще бъдат дупки (p-тип проводимост).
Полупроводникови диоди
Всяко полупроводниково устройство има един или повече електрон-дупкови преходи. Електронно-дупков преход (или n-p преход) е зоната на контакт между два полупроводника с различни видове проводимост. Когато два полупроводника от n- и p-тип влязат в контакт, започва процес на дифузия: дупките се преместват от p-областта към n-областта, а електроните, напротив, от n-областта към p-областта. В резултат на това в n-областта близо до контактната зона концентрацията на електрони намалява и се появява положително зареден слой. В p-областта концентрацията на дупки намалява и се появява отрицателно зареден слой. Така на границата на полупроводниците се образува двоен електрически слой, чието поле предотвратява процеса на дифузия на електрони и дупки един към друг (фиг. 1.14.1). Граничната област между полупроводници с различен тип проводимост (т.нар. блокиращ слой) обикновено достига дебелина от порядъка на десетки и стотици междуатомни разстояния. Пространствените заряди на този слой създават блокиращо напрежение U z между p- и n-области
n–p преходът има удивителното свойство на еднопосочна проводимост.
Образуване на блокиращ слой при контакт на p- и n-тип полупроводници
Ако n-p преходен полупроводник е свързан към източник на ток, така че положителният полюс на източника е свързан към n-областта, а отрицателният полюс към p-областта, тогава силата на полето в блокиращия слой се увеличава. Дупките в p областта и електроните в n областта ще се изместят от n–p прехода, като по този начин ще се увеличат концентрациите на малцинствени носители в блокиращия слой. През n-p прехода практически не протича ток. Напрежението, приложено към n-p прехода в този случай, се нарича обратно. Много незначителният обратен ток се дължи само на присъщата проводимост на полупроводниковите материали, т.е. наличието на малка концентрация на свободни електрони в p-областта и дупки в n-областта.
Ако n–p преход е свързан към източник, така че положителният полюс на източника да е свързан към p-областта, а отрицателният полюс към n-областта, тогава силата на електрическото поле в блокиращия слой ще намалее, което улеснява прехода на повечето носители през контактния слой. Дупките от p-региона и електроните от n-региона, движещи се един към друг, ще пресекат n-p прехода, създавайки ток в посока напред. Токът през n-p прехода в този случай ще се увеличи с увеличаване на напрежението на източника.
Способността на n–p прехода да пропуска ток в почти само една посока се използва в устройства, наречени полупроводникови диоди. Полупроводниковите диоди са направени от силициеви или германиеви кристали. По време на тяхното производство примесът се слива в кристал с определен тип проводимост, осигурявайки различен тип проводимост.
Полупроводниковите диоди се използват в токоизправители за преобразуване на променлив ток в постоянен ток.
Електропроводимост и т.н-преходът силно зависи от температурата, така че обратният ток се увеличава с повишаване на температурата:
По този начин n-p преходът има еднопосочна електрическа проводимост. Това е основното му имущество, което се влага основата на устройството и принципа на работа на полупроводников диод.
Диодът е електронно-дупков преход, защитен от светлина и електромагнитно излъчване с метален корпус и с радиатор за стабилизиране на температурата.
Плюсове: висока ефективност (98%), дълъг експлоатационен живот, издръжливост.
Минуси: зависи от температурата.
§ 3 Собствена проводимост на полупроводниците
- Вътрешна структура на полупроводниците.
Полупроводниците включват голям брой вещества, които по своите електрически свойства заемат междинно положение между проводници и диелектрици. За полупроводници j=1 2¸ 1 0 - 8 S/m (j - електропроводимост). За проводници j = 1 4¸ 1 0 3 Sm/m; за диелектрици j< 10 -12 S/m. Най-важното свойство и признак на полупроводниците е зависимостта на техните електрически свойства от външните условия T, д, Ри т.н. Характерна особеност на полупроводниците е, че тяхното съпротивление намалява с повишаване на температурата. Характерно е за полупроводниците кристаленструктура с ковалентни връзки между атомите.
- Собствена проводимост на полупроводниците.
Под въздействието на външни фактори някои валентни електрони на атомите придобиват енергия, достатъчна да се освободят от ковалентни връзки.
Освобождаването на електрон от ковалентна връзка в енергийната диаграма съответства на прехода от валентната зона към зоната на проводимост. Когато електрон се освободи от ковалентна връзка, в последната се появява свободно пространство, притежаващо елементарен положителен заряд, равен по абсолютна стойност на заряда на електрона. Това освободено място в електронните комуникации беше условно наречено дупка,и процесът на образуване на двойки се нарича генериране на заряди. Дупката, имаща положителен заряд, прикрепя към себе си електрон от съседна запълнена ковалентна връзка. Като резултат една връзка е възстановена(този процес се нарича рекомбинация) И съседната е унищожена.Тогава можем да говорим за движение на положителен заряд - дупка - през кристала. Ако електрическо поле действа върху кристал, движението на електрони и дупки става подредено и в кристала възниква електрически ток. В този случай проводимостта на дупката се нарича проводимост Р-Тип (положителен - положителен) и електронна проводимостн-тип (отрицателен - отрицателен).
В химически чист полупроводников кристал (броят на примесите е 10 16 m -3), броят на дупките винаги е равен на броя на свободните електрони и електрическият ток в него се образува в резултат на едновременното прехвърляне на заряд на и двата знака. Тази електронно-дупкова проводимост се нарича присъща проводимост на полупроводника.
й = й n+ йстр
й- плътност на електронния ток (н) и дупки ( Р).
В присъщия полупроводник нивото на Ферми е в средата на забранената зона. защото активираща енергия, равна на забранената зона, се използва за прехвърляне на електрон от горното ниво на валентната лента към долното ниво на проводимата зона и в същото време за създаване на дупка във валентната зона. Тези. енергията, изразходвана за образуването на двойка токови носители, се разделя на две равни части и по този начин началната точка за всеки от тези процеси (преходът на електрон към създаването на дупка) трябва да бъде в средата на пропускаща лента.
Брой електрони, прехвърлени в зоната на проводимост, и брой образувани дупки~
По този начин, проводимостта на собствените полупроводници
γ е константа, определена от вида на веществото.
Тези. с увеличаване на T, γ се увеличава, тъй като от гледна точка на лентовата теория се увеличава броят на електроните, които в резултат на термично възбуждане се преместват в зоната на проводимост.
,
тези.
Според наклона на линията ln γ възможно е да се определи ширината на забранената лентад д.
§ 4 Примесна проводимост на полупроводници
В полупроводниците, съдържащи примеси, електрическата проводимост се състои от присъщи и нечистота.
Проводимост, причинени от наличието в полупроводниковия кристал на примеси от атоми с различна валентностНаречен нечистота.Наричат се примеси, които причиняват увеличаване на свободните електрони в полупроводника донор,и причинява увеличаване на дупките - акцептор.
Различните ефекти на примесните атоми се обясняват по следния начин. Да приемем, че в германиев кристал ( Ge 4+ ), чиито атоми имат 4 валентни електрона, въвеждаме петвалентен арсенКато 5+ . В този случай атомите на арсена с техния 4-ти от петте валентни електрона влизат във връзка. 5-тият валентен електрон на арсена ще бъде несвързан, т.е. става свободен електрон. Полупроводниците, чиято електрическа проводимост се е увеличила поради образуването на излишък от свободни електрони при въвеждане на примес, се наричат електронно проводими полупроводници (полупроводник н -Тип),А донорен примес (отдаване на електрон).
Въведение в 4-валентен полупроводник на 3-валентен елемент, например (В 3+ ) индият води, напротив, до излишък на дупки над свободни електрони. В този случай ковалентните връзки няма да бъдат напълно завършени и получените дупки могат да се движат около кристала, създавайки проводимост на дупки. Полупроводниците, чиято електрическа проводимост се дължи главно на движението на дупките, се наричат полупроводници с дупки или полупроводници Р-вид и добавка - акцептор (вълнуващоелектрон от ковалентна връзка или от валентната зона). Енергийните нива на тези примеси се наричат акцепторни нива- намира се над валентната зона.
Енергийните нива на донорните примеси се наричат донорски нива- разположени под долното ниво на проводящата лента.
В примесните полупроводници носителите на заряд са основен(електрони в проводникн-тип) и не основните(дупки в полупроводника Р-тип, електрони в полупроводникн-Тип).
Наличието на нива на примеси в полупроводниците значително променя позицията на нивото на Ферми д Е . В полупроводникн- тип при T= 0 K д Е разположен по средата между дъното на проводящата лента и донорното ниво. С увеличаване на TВсе по-голям брой електрони се преместват от нивото на донора към зоната на проводимост, но поради термично възбуждане някои електрони от валентната зона се преместват в зоната на проводимост. Следователно, с увеличаване TНивото на Ферми се измества надолу към средата на забранената зона.
В полупроводниците Р- тип при T = 0 ДА СЕ,д
Е по средата между акцепторното ниво и горната част на валентната лента. С увеличаване на T д
Е се измества към средата на пропускащата лента.
Зависимостта на проводимостта на полупроводниците от температурата има формата, показана на фигурата (за повече подробности вижте лабораторната работа 8.6.).
Собствена проводимост на полупроводниците
В полупроводниците основната лента е разделена от лентата на възбудените нива с краен енергиен интервал ($\триъгълник E$). Основната зона на полупроводника се нарича валентна зона, а зоната на възбудени състояния се нарича зона на проводимост. При T=0 K валентната зона е напълно запълнена, докато зоната на проводимост е свободна. Следователно, близо до абсолютната нула, полупроводниците не провеждат ток. Най-общо казано, диелектриците и полупроводниците се различават от гледна точка на лентовата теория само по забранената зона ($\триъгълник E$). Обикновено диелектриците включват полупроводници с $\триъгълник E>2eV.$
Бележка 1
В полупроводниците с повишаване на температурата електроните обменят енергия с йони в кристалната решетка. Поради това електронът може да придобие допълнителна кинетична енергия с размер $\приблизително kT.\ $Тази енергия може да е достатъчна, за да прехвърли някои от електроните в зоната на проводимост. Тези електрони в зоната на проводимост провеждат ток.
Във валентната зона се освобождават квантови състояния, които не са заети от електрони. Такива състояния се наричат дупки. Дупките са токоносители. Електроните могат да се рекомбинират с дупки (да правят квантови преходи към незапълнени състояния, тоест дупки). В този случай предишните запълнени състояния се освобождават, тоест стават дупки. Последните се рекомбинират с нови електрони и отново се образуват дупки. В резултат на тези процеси се установява равновесна концентрация на дупки, тази концентрация е еднаква в целия обем на проводника, ако няма външно поле. Квантовият преход на електрона се придружава от неговото движение срещу полето. Намалява потенциалната енергия на системата. Преход, свързан с движение по посока на полето, увеличава потенциалната енергия на системата. Преходите срещу полето доминират над преходите по протежение на полето, което означава, че токът ще започне да тече през полупроводника в посоката на приложеното електрическо поле. В отворен полупроводник токът ще тече, докато електрическото поле компенсира външното поле. Крайният резултат от явлението е същият, както ако носителите на ток не са електрони, а положително заредени дупки. Следователно се прави разлика между електронна и дупкова проводимост на полупроводниците.
Истинските носители на ток в металите и полупроводниците са електроните; дупките се въвеждат формално. Дупки, като истински положително заредени частици, не съществуват. Оказа се обаче, че в електрическо поле дупките се движат по същия начин, както биха се движили положително заредените частици при класическо разглеждане. Поради малката концентрация на електрони в зоната на проводимост и дупки във валентната зона, може да се използва класическата статистика на Болцман.
Бележка 2
Проводимостта на полупроводниците, електронни и дупкови, не е свързана с наличието на примеси. Нарича се присъща електрическа проводимост на полупроводниците.
В идеално чист полупроводник без никакви примеси всеки електрон, освободен от термично движение или светлина, би съответствал на образуването на една дупка, тоест броят на електроните и дупките, които участват в създаването на ток, ще бъде еднакъв.
Идеално чистите полупроводници не съществуват в природата; създаването им изкуствено е изключително трудно. Малки следи от примеси променят качествено свойствата на полупроводниците.
Примесна проводимост на полупроводници
Електрическата проводимост на полупроводниците, която се дължи на наличието на примеси на атоми на други химични елементи, се нарича електропроводимост на примеси. Най-малките количества примеси могат значително да увеличат проводимостта на полупроводниците. При металите се наблюдава обратното явление. Примесите винаги намаляват проводимостта на металите.
Увеличаването на проводимостта при наличие на примеси се обяснява с факта, че в полупроводниците се появяват допълнителни енергийни нива, които се намират в забранената зона на полупроводника.
Донорни примеси
Нека допълнителни нива в забранената зона се появят близо до долния ръб на проводящата лента. Ако енергийният интервал, който разделя допълнителните енергийни нива от лентата на проводимост, е малък в сравнение със забранената зона, тогава броят на електроните в лентата на проводимост и следователно проводимостта на самия полупроводник ще се увеличи. Примесите, които доставят електрони в зоната на проводимост, се наричат донори (донорни примеси). Допълнителните енергийни нива се наричат донорни нива.
Полупроводниците с донорни примеси се наричат електронни (полупроводници от тип n).
Акцепторни примеси
Нека въвеждането на примес причини появата на допълнителни нива близо до горния ръб на валентната лента. В този случай електроните от валентната лента се преместват към тези допълнителни нива. В този случай се появяват дупки във валентната зона и така възниква дупковата електрическа проводимост на полупроводника. Такива примеси се наричат акцептори (акцепторни примеси). Допълнителните нива се наричат акцепторни нива.
Полупроводниците, които имат акцепторни примеси, се наричат полупроводници с дупки (полупроводници от p-тип). Може да съществуват смесени полупроводници.
Какъв вид проводимост има полупроводникът (електронна или дупка) се съди по знака на ефекта на Хол.
Процесът на въвеждане на примеси се нарича допинг. При много високи концентрации на примесни нива може да се наблюдава разцепване на примесните нива, в резултат на което те могат да покрият границите на съответните енергийни ленти.
Пример 1
Задача: Обяснете какъв тип примеси могат да бъдат арсенови атоми и борни атоми в силициевата кристална решетка?
Помислете за силиций и арсен. Силицият е четиривалентен атом, следователно силициевият атом има четири електрона. Арсенът е петвалентен, което означава, че неговият атом съдържа пет електрона. Петият електрон може да бъде отстранен от атома на арсен поради топлинно движение. Положителен йон на арсен може да измести един от силициевите атоми от решетката, заемайки неговото място. Така между местата на решетката ще се появи електрон на проводимостта. Следователно се оказва, че арсенът е донорен примес за силиций.
Нека разгледаме бора като примес към силиция. Външната обвивка на борен атом има три електрона. Борен атом може да улови липсващия четвърти електрон от някое съседно място в силициевия кристал. На това място се появява дупка и полученият отрицателен борен йон може да измести силициевия атом от кристалната решетка и да заеме неговото място. Проводимостта на дупки възниква в силициев кристал. Борът е акцепторен примес.
Отговор: Арсенът е донорен примес в силициевата решетка, борът е акцепторен примес за силиций.
Пример 2
Задание: При термоелементите в някои случаи токът в горещия преход протича от метала към полупроводника, а в други от полупроводника към метала, обяснете защо?
Това е разликата между електронната и дупковата проводимост на полупроводниците, която обяснява процеса, описан в условията на задачата.
В електронния полупроводник скоростта на електроните в горещия край е по-голяма, отколкото в студения край. Следователно, електроните изтичат (дифундират) от горещия край към студения, докато електрическото поле, възникващо поради преразпределение на заряда, спре потока от дифузиращи електрони. След като се установи равновесие, горещият край, който е загубил електрони, има положителен заряд, студеният край, който е получил излишък от електрони, следователно има отрицателен заряд. Това означава, че се появява потенциална разлика (положителна) между горещия и студения край.
В дупковия полупроводник протича обратният процес. Дифузията на отворите протича от горещия към студения край. В този случай горещият край получава отрицателен заряд, а студеният край се зарежда положително. Знакът на потенциалната разлика между горещия и студения край е отрицателен.
Полупроводниците са твърди вещества, които при абсолютни нулеви температури се характеризират с валентна лента, изцяло заета от електрони, отделена от зоната на проводимост с относително тясна ( DW< 1 eV) забранена лента.
Има собствени и примесни полупроводници. Химически чистите полупроводници са присъщи и тяхната проводимост се нарича присъща проводимост.
Типичните, най-разпространени собствени полупроводници са химичните елементи германий и силиций. Външните обвивки на техните атоми съдържат 4 валентни електрона, които са свързани с валентните електрони на съседните атоми чрез ковалентни връзки.
Опростена плоска диаграма на разположението на атомите в германиев кристал е показана на фиг. 3, където всяко тире показва връзка, осъществявана от един електрон. В идеален кристал при нула Келвин такава структура се държи като диелектрик, тъй като всички валентни електрони участват в образуването на връзки и следователно не участват в проводимостта.
С повишаване на температурата топлинните вибрации на решетката могат да доведат до разкъсване на някои валентни връзки, в резултат на което някои електрони се отделят и те се освобождават. На мястото, изоставено от електрона, се появява празно място - дупка, която може да бъде запълнена от електрони от съседната двойка. В резултат на това дупката, подобно на освободения електрон, ще се движи в целия кристал. Движението на проводимите електрони и дупки в отсъствието на електрическо поле е хаотично. Ако кристалът се постави в електрическо поле, тогава електроните ще започнат да се движат срещу полето, дупките - по полето, което ще доведе до собствената проводимост на германия, дължаща се както на електрони, така и на дупки.
Според лентовата теория енергията DW, необходима за прехода на електрона от горното ниво на валентната зона към долното ниво на проводимата зона, се нарича активираща енергия(фиг. 4).
Преходът на електрони от запълнената валентна зона към свободната създава вакантни състояния във валентната зона - дупки (маркирани с кръгове на фиг. 4). Такава дупка се държи като частица с елементарен положителен заряд. Под въздействието на външно електрическо поле, едновременно с движението на електроните нагоре по енергийните нива на зоната на проводимост, свободните състояния във валентната зона се запълват с електрони от долните нива на тази лента, еквивалентно движение на положителни дупки надолу .
По този начин в полупроводниците можем да говорим за електронен и дупков тип проводимост, въпреки че и двата са следствие от движението на електроните.
Проводимостта на собствените полупроводници, дължаща се на движението на електрони, се нарича електронна проводимост или проводимост П-тип (от лат. негативус– отрицателен).
Проводимостта на собствените полупроводници, причинена от квазичастици - дупки, се нарича дупкова проводимост или проводимост Р-тип (от лат. позитивус- положителен).
Така в собствените полупроводници се наблюдават два механизма на проводимост - електронен и дупков. В този случай броят на електроните на проводимостта е равен на броя на дупките в даден полупроводник.
Проводимостта на химически чистите полупроводници, поради наличието на електрони и дупки в тях, се нарича собствена проводимост, а самите полупроводници - собствени полупроводници.
С повишаване на температурата броят на електроните, които са преодолели забранената зона поради енергията на топлинното движение, се увеличава и съответно броят на дупките се увеличава. Следователно, с повишаване на температурата, вътрешната проводимост на полупроводниците се увеличава и съпротивлението намалява според експоненциалния закон:
където е специфичната проводимост, е определена константа, постоянна за даден полупроводник, е енергията на активиране, равна на ширината на забранената зона и различна за различните полупроводници, k = 1,38×10 -23 е константата на Болцман.
Зависимостта на съпротивлението на полупроводниците от температурата се използва във високоточни измервателни уреди за температура - термистори. Термисторите се използват широко за измерване на температурата на газове и течности, за бързо сигнализиране на прегряване на отделни части на агрегати, недостатъчно смазване и др.
Примесна проводимост на полупроводници
Проводимостта на полупроводниците, причинена от примеси, се нарича нечистотапроводимост, а самите полупроводници са примесни полупроводници.
Необходимо е да се прави разлика между донорни и акцепторни примеси. Примеси, които имат един валентен електрон повече от атомите на основното вещество, се наричат донорни.
Нека разгледаме механизма на проводимостта на донорните примеси, използвайки германий като пример. Когато атом на германий се замени с атом, чиято валентност е с една единица по-висока, например петвалентен атом на арсен, един от електроните на атома на арсен не може да образува ковалентна връзка, той се оказва излишен и по време на топлинни вибрации на решетката може лесно да се отдели от атома, т.е. да стане свободна. Когато се приложи електрическо поле, такива електрони започват да се движат в целия кристал, създавайки електрически ток (фиг. 5). От гледна точка на лентовата теория разглежданият процес може да бъде представен по следния начин. Въвеждането на донорен примес изкривява полето на решетката и води до появата на допълнителни донорни нива (фиг. 6), които се намират в забранената зона близо до дъното на проводимата зона. Тези нива са заети от донорни електрони. При температури, близки до абсолютната нула, енергията на топлинното движение е недостатъчна за прехвърляне на донорни електрони в зоната на проводимост и полупроводникът се държи като изолатор. С повишаване на температурата, излагане на светлина и т.н., електроните се преместват от нивата на донора към зоната на проводимост и при наличие на потенциална разлика осигуряват ток.
Проводимостта на полупроводника, поради наличието на донорни примесни електрони в него, се нарича електронна, донорна или н-тип и самият полупроводник – n-тип полупроводник.
Примес, чиито атоми нямат достатъчно електрони, за да заменят всички валентни връзки в решетката на основното вещество, се нарича акцептор.
Когато примесен атом с три валентни електрона, например бор, се въведе в германиевата решетка IN, за да образува връзки с четирите най-близки съседни германиеви атома, на борния атом липсва един електрон, една от връзките остава непълна и четвъртият електрон може да бъде уловен от съседния германиев атом, където съответно се образува дупка (фиг. 7 ). Последователното запълване на получените дупки с електрони е еквивалентно на движението на дупките в полупроводника, т.е. дупките не остават локализирани, а се движат в германиевата решетка като свободни положителни заряди.
Когато акцепторен примес се въведе в полупроводник, свободните нива на примеси се намират в забранената зона близо до горната граница на валентната лента (фиг. 8). Под въздействието на много ниска енергия на термично възбуждане атомът на примеса може да вземе електрон от един от най-близките си съседи. Това означава, че някои електрони от валентната лента се преместват към акцепторни нива дори при ниски температури и във валентната лента се появяват свободни дупки. В този случай полупроводникът придобива проводимост на дупки или проводимост стр-Тип.
Преходът от донорно ниво към зона на проводимост или от валентна зона към акцепторно ниво (фиг. 6, 8) изисква по-малко енергия, отколкото преходът на електрон от валентната зона към зоната на проводимост. Следователно при ниски температури основната роля играе проводимостта на примесите.
С повишаване на температурата в електронен полупроводник, в допълнение към свободните електрони, се появява определен брой свободни дупки, а в дупковия полупроводник се появява определен брой свободни електрони. Носителите на заряд, чийто брой преобладава в кристала, се наричат мажоритарни носители; носителите на противоположния знак се наричат второстепенни. В полупроводниците с донорен примес основните носители са електрони, а малцинствените носители са дупки. В полупроводници с акцепторен примес основните носители са дупки, а малцинствените носители са електрони. Причината за появата на незначителни носители е собствената проводимост.
Въвеждането на примеси в кристалната решетка на полупроводниците води до появата на забележителни свойства, които са ценни за практическа употреба: рязко увеличаване на електрическата проводимост, фотопроводимост, луминесценция и др. Полупроводниците се използват в електрическо и радио оборудване (кристални диоди и триоди ), служат като токоизправители (селен, купрокси). Полупроводниците се използват за създаване на полупроводникови съпротивления (термистори, фоторезистори), източници на светлина (светодиоди, лазери) и източници на емф. (слънчеви батерии) и др. Полупроводниковите устройства са с малки размери, което е важното им предимство.
Принципът на работа на много полупроводникови устройства се основава на операцията р-н–преход.
6. . 7. . 8. .
полупроводници- това са вещества, чието съпротивление намалява с повишаване на температурата, наличието на примеси и промените в осветеността. По тези свойства те са поразително различни от металите. Обикновено полупроводниците включват кристали, в които е необходима енергия не повече от 1,5-2 eV за освобождаване на електрон. Типични полупроводници са кристали от германий и силиций, в които атомите са обединени чрез ковалентна връзка. Естеството на тази връзка ни позволява да обясним характерните свойства, споменати по-горе. Когато полупроводниците се нагряват, техните атоми се йонизират. Освободените електрони не могат да бъдат уловени от съседни атоми, тъй като всичките им валентни връзки са наситени. Свободните електрони под въздействието на външно електрическо поле могат да се движат в кристала, създавайки електронен проводящ ток. Премахването на електрон от външната обвивка на един от атомите в кристалната решетка води до образуването на положителен йон. Този йон може да бъде неутрализиран чрез улавяне на електрон. Освен това, в резултат на преходи на свързани електрони от атоми към положителни йони, възниква процес на хаотично движение в кристала на мястото с липсващия електрон - "дупка". Външно този процес на хаотично движение на свързани електрони се възприема като движение на положителен заряд. Когато кристалът се постави в електрическо поле, възниква подредено движение на „дупки“ - ток на проводимост на дупки.
В един идеален кристал токът се създава от равен брой електрони и "дупки". Този тип проводимост се нарича собствена проводимостполупроводници. С увеличаването на температурата (или осветеността) вътрешната проводимост на проводниците се увеличава.
Проводимостта на полупроводниците е силно повлияна от примесите. Има донорни и акцепторни примеси. Донорна примесе примес с валентност, по-голяма от тази на кристала. Когато се добави такъв примес, в полупроводника се образуват допълнителни свободни електрони. Ето защо примесът се нарича донор. Преобладава електронната проводимост и се нарича полупроводник n-тип полупроводник. Например, за силиций с валентност n = 4, донорният примес е арсен с валентност n = 5. Всеки атом от арсенов примес ще доведе до образуването на един проводящ електрон.
Акцепторен примесе примес с валентност, по-ниска от тази на кристала. Когато се добави такъв примес, в полупроводника се образуват допълнителен брой „дупки“. Преобладава проводимостта на „дупка“ и полупроводникът се нарича p-тип полупроводник. Например, за силиций акцепторният примес е индий с валентност n = 3. Всеки индиев атом ще доведе до образуването на допълнителна „дупка“.
Принципът на работа на повечето полупроводникови устройства се основава на свойствата pn преход. Когато две полупроводникови устройства p-тип и n-тип се доведат до контакт в точката на контакт, електроните започват да дифундират от n-областта към p-областта, а „дупките“, напротив, от p-към n-областта. Този процес няма да бъде безкраен във времето, тъй като той ще се формира бариерен слой, което ще предотврати по-нататъшна дифузия на електрони и „дупки“.
P-n-контактът на полупроводниците, подобно на вакуумния диод, има еднопосочна проводимост: ако свържете „+“ на източника на ток към p-областта и „-“ на източника на ток към n-областта, тогава блокиращият слой ще бъде разрушен и p-n-контактът ще провежда ток, електроните от n-областта ще отидат в p-областта, а „дупките“ от p-областта към n-областта (фиг. 22). В първия случай токът не е нула, във втория токът е нула. Това означава, че ако свържете източника „-“ към p-областта и източника на ток „+“ към n-областта, тогава блокиращият слой ще се разшири и няма да има ток.
Полупроводников диодсе състои от контакт между два p- и n-тип полупроводници. Полупроводниковите диоди са малки по размер и тегло, имат дълъг живот, висока механична якост и висока ефективност; техният недостатък е зависимостта на устойчивостта от температурата.
Друго полупроводниково устройство също се използва в радиоелектрониката: транзистор, който е изобретен през 1948 г. Триодът се основава не на един, а на два pn прехода. Основното приложение на транзистора е да се използва като усилвател на слаби токови и напреженови сигнали, а полупроводниковият диод се използва като токоизправител.
След откриването на транзистора започва качествено нов етап в развитието на електрониката - микроелектрониката, която издига развитието на електронната техника, комуникационните системи и автоматизацията на качествено различно ниво. Микроелектрониката се занимава с разработването на интегрални схеми и принципите на тяхното приложение. Интегрална схеманарича съвкупност от голям брой взаимосвързани компоненти - транзистори, диоди, резистори, свързващи проводници, произведени в един технологичен процес. В резултат на този процес на един чип едновременно се създават няколко хиляди транзистори, кондензатори, резистори и диоди, до 3500 елемента. Размерите на отделните елементи на микросхемата могат да бъдат 2-5 микрона, грешката при тяхното приложение не трябва да надвишава 0,2 микрона. Микропроцесорът на съвременен компютър, разположен на. силициев кристал с размери 6x6 mm, съдържа няколко десетки или дори стотици хиляди транзистори.
В технологията обаче се използват и полупроводникови устройства без p-n преходи. Например термистори (за измерване на температура), фоторезистори (във фото релета, аварийни превключватели, в дистанционни управления за телевизори и видеорекордери).
