Свойства полупроводниковых материалов
По электропроводности все материалы делятся на три группы: проводники (Пр), полупроводники (ПП) и диэлектрики (Д).
Проводимость любого материала определяется концентрацией свободных носителей зарядов. В свою очередь свободные носители появляются в материале за счет валентных электронов атомов. Чтобы стать свободным носителем электрон должен оторваться от атома за счет полученной извне энергии (при повышении температуры относительно 0). В полупроводниках требуется большая энергия, чем в проводниках, чтобы сделать валентный электрон свободным. В ПП существует два вида проводимости: электронная («–») и дырочная («+»).
ПП делят на собственные (без примесей – беспримесные) и примесные.
Собственные ПП (кремний, германий, индий и т. д.) обладают небольшой проводимостью. Проводимость свободных (подвижных) зарядов образуется за счет разрыва ковалентных связей между соседними атомами ПП. Ковалентная связь образуется двумя валентными электронами соседних атомов. Для разрыва ковалентной связи, то есть выхода из нее электрона требуется гораздо меньше энергии, чем для отрыва электрона из орбиты. В собственных ПП в результате терморегуляции всегда существуют свободные носители (электроны и дырки), но в небольшом количестве. Практического применения собственные ПП не получили.
Примесные ПП получаются в результате внесения примесей (легирование) в основной ПП. Примесь всегда имеет другую валентность, чем чистый ПП. Например, если к четырехвалентному ПП (германий, кремний) добавить пятивалентную примесь (фосфор, свинец, мышьяк), то четыре валентных электрона в примеси вступают в ковалентную связь с атомами основного ПП. Оставшийся без связи электрон примеси легко отрывается от атома и становится свободным отрицательным носителем заряда. При этом атом превращается в неподвижный положительный ион. Подвижные электроны от примесей увеличивают концентрацию электронов и снижают концентрацию дырок. Основными носителями зарядов в таком ПП являются электроны, сам ПП называется полупроводником n-типа, а его проводимость – электронная. Примесь, которая привела к такому роду электронной проводимости – донорная. Если к четырехвалентному ПП добавить трехвалентную примесь (бор, индий, алюминий), то три валентных электрона примеси вступят в ковалентную связь. Для четвертой связи атом примеси забирает электрон из ковалентной связи между атомами основного ПП, образуя при этом дырку. Атом примеси превращается в неподвижный отрицательный ион. Таким образом, трехвалентная примесь увеличивает концентрацию дырок и уменьшает концентрацию электронов. Основными подвижными носителями зарядов в таком ПП являются положительные дырки. ПП называется полупроводником p-типа, а примесь, которая привела к возникновению такого ПП – акцепторная.
Замечание 1. Примесь, вносимая в ПП незначительна, чтобы не нарушалась кристаллическая решетка основного ПП. При добавлении фосфора в кремний: на 1 кг кремния добавляют 20 мкгр фосфора. При этом концентрация электронов увеличивается на 5 порядков.
Замечание 2. Концентрация основных носителей зарядов определяется внесенной примесью и мало зависит от температуры. При легировании образование ионов в примесном ПП практически заканчивается уже при комнатной температуре. Концентрация несоновных носителей зарядов (в ПП n-типа – это дырки, в ПП p-типа – электроны) сильно зависит от температуры. Это объясняется тем, что неосновные носители зарядов образуются за счет разрыва основного ПП.
