Проводники, полупроводники и диэлектрики
В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.
Проводники – тела, в которых заряды могут перемещаться по всему объему (свободные заряды), поэтому они проводят электрический ток. В металлах (проводники первого рода) – это электроны. В растворах и расплавах солей, кислот и щелочей (проводники второго рода) – это положительные и отрицательные ионы –катионы, анионы.
Диэлектрики – тела, в которых заряды смещаются на расстояния, не превышающее размеров атома (связанные заряды), поэтому они не проводят электрический ток.
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Проводят электрический ток при определенных условиях.
Носителями зарядов являются электроны и дырки.
Классическая теория проводимости металлов
Металл представляет собой кристаллическую решетку, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы, с между ионами существует электронный газ.
Когда в проводнике создается разность потенциалов свободные электроны приходят в упорядоченное движение.
Сначала электроны движутся равноускоренно, но очень скоро электроны перестают ускоряться, сталкиваясь с атомами решетки.
Атомы решетки начинают колебаться всё с большей амплитудой относительно условной точки покоя, и наблюдается термоэлектрический эффект (проводник разогревания).
Зонная теория твердых тел
В изолированном атоме энергия электрона может принимать строго дискретные значения, так как электрон может находиться только на одной из орбиталей.
У атомов в молекуле, электронные орбитали расщепляются.
Количество орбиталей пропорционально числу атомов. Это приводит к образованию молекулярных орбиталей.
В макроскопическом кристалла (более 1020 атомов), количество орбиталей становится очень большим, а разница энергий электронов, находящихся на соседних орбиталях становится очень маленькой.
Энергетические уровни расщепляются до практически непрерывных дискретных наборов - энергетических зон.
Наивысшая в полупроводниках и диэлектриках зона, в которой все энергетические состояния заняты электронами, называется валентной зоной, следующая за ней – зоной проводимости.
В металлах зоной проводимости называется наивысшая разрешённая зона, в которой находятся электроны.
Энергетические диаграммы проводников (а), полупроводников (б) и диэлектриков (в) при температуре, близкой к абсолютному нулю.
Энергетические диаграммы диэлектриков, полупроводников и проводников
Полупроводник – материал, который по своей удельной проводимости занимает
промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Отличие от проводников - сильная зависимость удельной проводимости от 1) концентрации примесей, 2). температуры и 3). воздействия различных видов излучения.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ).
Алмаз - широкозонный полупроводник. Арсенид индия - узкозонный полупроводник.
К полупроводникам относятся:
Многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие),
Огромное количество сплавов
Химические соединения (арсенид галлия и др.).
Почти все неорганические вещества.
Самым распространённым в природе полупроводником является кремний,
составляющий почти 30 % земной коры.
Собственная проводимость полупроводников
Собственная проводимость – свойство чистых полупроводников.
Под воздействием внешних факторов (температура, облучение, сильное электрическое поле и т.д.) электроны из валентной зоны могут быть переброшены в зону проводимости, что и обуславливает появление электрического тока.
Разрыв валентных связей приводит к образованию свободных мест (дырок), которые может занять любой электрон.
Дырка представляет собой положительный заряд, который движется противоположно электрону, по направлению внешнего поля.
Такая проводимость называется дырочной или p-типа (positive - положительный). Проводимость полупроводников появляется только под воздействием внешних факторов.
При определенной температуре между генерацией электронов и дырок и обратным процессом (рекомбинацией) наступает равновесие, при котором устанавливается определенная концентрация носителей заряда.
Примесная проводимость полупроводников
Примесная проводимость обусловлена внесенными в полупроводник примесями мышьяка (V), бора (III) и др.
Проводимость n-типа (negative - отрицательный)
Кремний (IV) + мышьяк (V) - между атомами мышьяка и кремния будет оставаться "лишний" свободный электрон проводимости. При этом образования дырки не произойдет, проводимость обеспечивается только электронами (донорная примесь).
Проводимость p-типа (positive - положительный)
Кремний (IV) + индий (III) - в кристаллической решетке не будет хватать электрона, образуется дырка. В этом случае имеет место дырочная проводимость (акцепторная примесь). Примесная проводимость обусловлена носителями одного знака (или электронами, или дырками).
Примесь бора в кремнии (1/ 105 атомов) уменьшает удельное электрическое
сопротивление кремния 1000 раз.
Примесь индия в германии 1/ (108 - 109 атомов) уменьшает удельное электрическое сопротивление германия в миллионы раз.
Контактные явления в металлах
Если два металла привести в соприкосновение, то между ними возникает
разность потенциалов. Если металлы Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd (ряд Вольта) привести в соприкосновение в этой последовательности, то каждый предыдущий при соприкосновении с одним из следующих металлов зарядится
положительно. Контактная разность потенциалов составляет от десятых до целых вольт. Это объясняется тем, что все металлы отличаются друг от друга различной концентрацией электронов. При контакте двух металлов электроны начнут проходить через границу раздела металлов и возникает двойной электрический слой с разностью потенциалов.
Явление Зеебека (1821). Если спаи проводников находятся при разных температурах, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила, которая
зависит от разности температур контактов и природы применяемых материалов. Явление Зеебека используется для измерения температуры (термоэлементы, термопары).
Явление Пельтье (1834). При прохождении через контакт двух различных проводников электрического тока, в зависимости от его направления, помимо
джоулевой теплоты выделяется или поглощается дополнительная теплота. Явление Пельтье является обратным по отношению к явлению Зеебека.
Явление Пельтье используется в термоэлектрических полупроводниковых холодильниках.
Контактные явления в полупроводниках
При контакте двух полупроводников n-типа и p-типа в месте их соприкосновения образуется p-n-переход.
В области p-n-перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок.
Используются для изготовления:
Диодов (выпрямление и
преобразование переменных токов);
Транзисторов (усиления напряжения и
Полупроводники занимают промежуточное место по электропроводности между проводниками и непроводниками электрического тока. К группе полупроводников относится гораздо больше веществ, чем к группам проводников и непроводников, взятых вместе. Наиболее характерными представителями полупроводников, нашедших практическое применение в технике, являются германий, кремний, селен, теллур, мышьяк, закись меди и огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.
Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами.
У полупроводников концентрация носителей свободного заряда увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов.
Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке.
Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Валентные электроны в кристалле германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.
При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок».
При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.
Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного I n и дырочного I p токов: I = I n + I p .
Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: n n = n p . Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.
При наличии примесей электропроводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка примесей фосфора в кристалл кремния в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков.
Полупроводник, в который введена примесь (т.е. часть атомов одного сорта заменена на атомы другого сорта), называют примесным или легированным.
Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости.
Так при легировании четырех валентного германия (Ge) или кремния (Si) пятивалентным – фосфор (P), сурьма (Sb), мышьяк (As) в месте нахождения атома примеси появляется лишний свободный электрон. При этом примесь называют донорной .
При легировании четырех валентного германия (Ge) или кремния (Si) трехвалентным - алюминием (Al), индием (Jn), бором (В), галлием (Ga)
– возникает линяя дырка. Такие примеси называют акцепторными
.
В одном и том же образце полупроводникового материала один участок может обладать р - проводимостью, а другой n – проводимостью. Такой прибор называют полупроводниковым диодом.
Приставка «ди» в слове «диод» означает «два», она указывает, что в приборе имеются две основные «детали», два тесно примыкающих один к другому полупроводниковых кристалла: один с р-проводимостью (это зона р), другой - с n - проводимостью (это зона п). Фактически же полупроводниковый диод - это один кристалл, в одну часть которого введена донорная примесь (зона п), в другую-акцепторная(зона р).
Если от батареи подвести к диоду постоянное напряжение «плюсом» к зоне р
и «минусом» к зоне п
, то свободные заряды - электроны и дырки - хлынут к границе, устремятся к рn -переходу. Здесь они будут нейтрализовать друг друга, к границе будут подходить новые заряды, и в цепи диода установится постоянный ток. Это так называемое прямое включение диода - заряды интенсивно движутся через него, в цепи протекает сравнительно большой прямой ток.
Теперь сменим полярность напряжения на диоде, осуществим, как принято говорить, его обратное включение - «плюс» батареи подключим к зоне п, «минус» - к зоне р. Свободные заряды оттянутся от границы, электроны отойдут к «плюсу», дырки - к «минусу» и в итоге pn - переход превратится в зону без свободных зарядов, в чистый изолятор. А значит, произойдет разрыв цепи, ток в ней прекратится.
Hе большой обратный ток через диод все же будет идти. Потому что, кроме основных свободных зарядов (носителей заряда) - электронов, в зоне п ,и дырок в зоне р - в каждой из зон есть еще и ничтожное количество зарядов обратного знака. Это собственные неосновные носители заряда, они существуют в любом полупроводнике, появляются в нем из-за тепловых движений атомов, именно они и создают обратный ток через диод. Зарядов этих сравнительно мало, и обратный ток во много раз меньше прямого. Величина обратного тока сильно зависит: от температуры окружающей среды, материала полупроводника и площади p-n перехода. С увеличением площади перехода возрастает его обьем, а следовательно возрастает число неосновных носителей появляющихся в результате термогенерации и тепловой ток. Часто ВАХ, для наглядности представляют в виде графиков.
В полупроводниках - это направленное движение дырок и электронов, на которое оказывает влияние электрическое поле.
В результате экспериментов было отмечено, что электрическому току в полупроводниках не сопутствует перенос вещества - в них не происходят какие-либо химические изменения. Таким образом, носителями тока в полупроводниках можно считать электроны.
Способность материала к формированию в нём электрического тока может быть определена По данному показателю проводники занимают промежуточную позицию между проводниками и диэлектриками. Полупроводники - это различные виды минералов, некоторые металлы, сульфиды металлов и т.д. Электрический ток в полупроводниках возникает из-за концентрации свободных электронов, которые могут направленно передвигаться в веществе. Сравнивая металлы и проводники, можно отметить, что существует различие между температурным влиянием на их проводимость. Повышение температуры ведёт к уменьшению У полупроводников показатель проводимости увеличивается. Если в полупроводнике увеличится температура, то движение свободных электронов будет более хаотичным. Это связано с повышением числа столкновений. Однако в полупроводниках, по сравнению с металлами, существенно повышается показатель концентрации свободных электронов. Данные факторы оказывают противоположное влияние на проводимость: чем больше столкновений, тем меньше проводимость, чем больше концентрация, тем она выше. В металлах нет зависимости между температурой и концентрацией свободных электронов, так что с изменением проводимости при повышении температуры только понижается возможность упорядоченного перемещения свободных электронов. Что касается полупроводников, то показатель влияния повышения концентрации более высокий. Таким образом, чем больше будет расти температура, тем большей будет проводимость.
Существует взаимосвязь между движением носителей заряда и таким понятием, как электрический ток в полупроводниках. В полупроводниках появление носителей зарядов характеризуется различными факторами, среди которых особо важными являются температура и чистота материала. По чистоте полупроводники делятся на примесные и собственные.
Что касается собственного проводника, то влияние примесей при определённой температуре не может считаться для них существенным. Поскольку в полупроводниках ширина запрещённой зоны невелика, в собственном полупроводнике, когда температура достигает происходит полное заполнение валентной зоны электронами. Но зона проводимости является полностью свободной: в ней нет электропроводимости, и она функционирует как идеальный диэлектрик. При других температурах существует вероятность того, что при тепловых флуктуациях определённые электроны могут преодолеть потенциальный барьер и оказаться в зоне проводимости.
Эффект Томсона
Принцип термоэлектрического эффекта Томсона: когда пропускают электрический ток в полупроводниках, вдоль которых существует температурный градиент, в них, кроме джоулева тепла, будет происходить выделение или поглощение дополнительных количеств тепла в зависимости от того, в каком направлении будет течь ток.
Недостаточно равномерное нагревание образца, имеющего однородную структуру, оказывает влияние на его свойства, в результате чего вещество становится неоднородным. Таким образом, явление Томсона является специфическим явлением Пельте. Единственная разница заключается в том, что различный не химический состав образца, а неординарность температуры вызывает эту неоднородность.
Полупроводниками назвали класс веществ, у которых с повышением температуры увеличивается проводимость, уменьшается электрическое сопротивление. Этим полупроводники принципиально отличаются от металлов.
Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены кова-лентной связью. При любых температурах в полупроводниках имеются свободные электроны. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов кристаллической решетки приводит к превращению этого атома в положительный ион. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон у одного из соседних атомов. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном. Внешне этот процесс воспринимается как перемещение положительного электрического заряда, называемого дыркой .
При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение дырок - дырочный ток проводимости.
В идеальном полупроводниковом кристалле электрический ток создается движением равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Проводимость в идеальных полупроводниках называется собственной проводимостью.
Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. Примеси бывают двух типов - донорные и акцепторные.
Примеси, отдающие электроны и создающие электронную проводимость, называются донорными (примеси, имеющие валентность больше, чем у основного полупроводника). Полупроводники, в которых концентрация электронов превышает концентрацию дырок, называют полупроводниками n-типа.
Примеси, захватывающие электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными (примеси имеющие валентность меньше, чем у основного полупроводника).
При низких температурах основными носителями тока в полупроводниковом кристалле с акцепторной примесью являются дырки, а не основными носителями - электроны. Полупроводники, в которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа. Рассмотрим контакт двух полупроводников с различными типами проводимости.
Через границу этих полупроводников происходит взаимная диффузия основных носителей: электроны из n-полупроводника диффундируют в р-полупроводник, а дырки из р-полупроводника в n-полупроводник. В результате участок n-полупроводника, граничащий с контактом, будет обеднен электронами, и в нем образуется избыточный положительный заряд, обусловленный наличием оголенных ионов примеси. Движение дырок из р-полупроводника в n-полупроводник приводит к возникновению избыточного отрицательного заряда в пограничном участке р-полупроводника. В результате образуется двойной электрический слой, и возникает контактное электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда. Этот слой называют запирающим .
Внешнее электрическое поле влияет на электропроводность запирающего слоя. Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 55, то под действием внешнего электрического поля основные носители заряда - свободные электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике - будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников, при этом толщина p-n-перехода уменьшается, следовательно, уменьшается его сопротивление. В этом случае сила тока ограничивается внешним сопротивлением. Такое направление внешнего электрического поля называется прямым. Прямому включению p-n-перехода соответствует участок 1 на вольт-амперной характеристике (см. рис. 57).
Носители электрического тока в различных средах и вольт-амперные характеристики обобщены в табл. 1.
Если полупроводники подключены к источнику так, как показано на рис. 56, то электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике будут перемещаться под действием внешнего электрического поля от границы в противоположные стороны. Толщина запирающего слоя и, следовательно, его сопротивление увеличиваются. При таком направлении внешнего электрического поля - обратном (запирающем) через границу раздела проходят только неосновные носители заряда, концентрация которых много меньше, чем основных, и ток практически равен нулю. Обратному включению р-п-перехода соответствует участок 2 на вольт-амперной характеристике (рис. 57).
Слово "ток" означает движение или течение чего-то. Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Обычно электрический ток возникает при действии на свободные заряды внешней направленной электромагнитной силы. Однако в полупроводниках направленное движение зарядов возможно за счет хаотического теплового движения, если имеется неоднородность плотности их размещения. В этом случае заряды преимущественно перемещаются из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией. Данное явление называется диффузией, а ток, обусловленный диффузией, называется диффузионным.
Для отличия обычного тока, обусловленного действием электрической силы, от диффузионного обычный ток называют дрейфовым.
Электронно-дырочный переход
При изучении контактных явлений в полупроводниках следует остановиться на способах получения перехода: вплавление примеси, диффузия, ионная имплантация. Все они обеспечивают создание областей с электронной и дырочной электропроводностью в одном полупроводниковом образце.
Еще на стадии создания перехода в нем происходят процессы диффузии дырок из р-области в n-область и свободных электронов из n-области в р-область. В результате на границе двух областей образуется двойной слой электрических зарядов, состоящий из отрицательных и положительных ионов примесных атомов, и порожденное перешедшими зарядами электрическое поле. Это поле противодействует дальнейшей диффузии основных носителей заряда, благодаря чему устанавливается состояние равновесия.
Областью электронно-дырочного перехода считается слой объемных зарядов по обе стороны от границы областей (рис. 2.5). Этот слой называется запорным, потому что он обеднен свободными носителями заряда и во многих случаях может считаться диэлектриком. Здесь необходимо подчеркнуть, что плотности объемных зарядов в запорном слое различны по обе стороны от границы областей, поскольку определяются концентрациями донорной примеси в n-области и акцепторной примеси - в р-области. В целом же двойной слой объемного заряда электрически нейтрален: суммарный положительный заряд в n-области равен суммарному отрицательному заряду в р-области. Основное действие электрического поля объемного заряда состоит в ослаблении им диффузионного тока до очень малой величины тока проводимости (дрейфового тока) запорного слоя. В результате суммарный ток через переход оказывается равным нулю.
Если к переходу прикладывается внешнее напряжение, оно складывается с контактным и, в зависимости от полярности, либо увеличивает, либо уменьшает напряжение на переходе, что приводит к изменению диффузионного тока через него. Что касается дрейфового тока, то его величина, практически не зависит от внешнего напряжения и определяется только скоростью генерации свободных носителей в обедненном слое. Односторонняя проводимость перехода обусловлена тем обстоятельством, что при прямой полярности внешнего напряжения возможно очень сильное увеличение диффузионного тока, а при обратной - лишь очень незначительное уменьшение, поскольку он был близок к нулю.
Кроме того, внешнее напряжение оказывает сильное влияние на толщину запорного слоя, объемные заряды которого непосредственно связаны с напряжением на переходе. Увеличение этого напряжения должно привести к увеличению объемных зарядов. Однако плотность этих зарядов определяется только концентрациями примесей. Следовательно, увеличение зарядов будет происходить за счет увеличения их объемов, что означает увеличение толщины запорного слоя.
