Електропровідність напівпровідників та її види.



Напівпровідниками називають речовини, значення електропровідності яких лежить в межах між електропровідністю речовин, що добре проводять електричний струм (провідників) і електропровідністю речовин, що практично не проводять електричного струму (діелектриків).

Найбільш поширеними напівпровідниками, що використовуються на практиці є германій (Ge), кремній (Si), а також сполуки, наприклад арсенід галію (GaAs), антимонід індію (InSb) і т.п. – це елементи ІІІ, ІV, V груп таблиці Д.І. Менделеєва.

Для напівпровідників є характерною значна залежність їх електричних властивостей від температури. На відміну від металів, електропровідність напівпровідників при зниженні температури зменшується, а при підвищенні зростає. При температурах близьких до абсолютного нуля напівпровідники поводять себе подібно до діелектриків. Іншими характерними особливостями напівровідників є значна залежність їх електропровідності від незначної кількості домішок і їх чутливість до різного роду випромінювання.

Більшість фундаментальних властивостей твердих тіл і, перш за все, сам факт існування провідників, напівпровідників, діелектриків пояснюється зонною теорією твердих тіл на підставі квантових уявлень. У даній роботі ми обмежимося нескладним якісним поясненням властивостей напівпровідників на основі полукласичних уявлень.

Типовими напівпровідниками є елементи ІV групи периодичної системи Менделєєва германій і кремній. Ці елементи утворюють кристалічну решітку подібну до алмазу, де кожен атом зв'язаний ковалентними (парно-електронними) зв'язками з чотирма рівновіддаленими від нього сусідніми атомами.

Умовно таке взаємне розташування атомів можна уявити у вигляді плоскої структури, яка зображена на рис. 8.7.

Зовнішні оболонки атомів кремнію і германію мають чотири валентних електрони. При об'єднанні таких атомів у кристалічну решітку кожний атом як би доповнює свою зовнішню оболонку до восьми електронів, утворюючи із чотирма оточуючими його атомами так звані парно-електронні або ковалентні зв'язки (подвійні лінії на малюнку). Картина, що показана на малюнку, відповідає чистому (без домішок) напівпровідникові. Кола зі знаком (+) означають позитивно заряджені атомні залишки (тобто ту частину атома, яка залишається після видалення валентних електронів), кола зі знаком (−) – валентні електрони (електрони зв'язку).






Рис.8.7. Схема кристалічної решітки напівпровідника і пояснення власної електропровідності




При дуже низькій температурі всі валентні електрони беруть участь в утворенні зв'язків між атомами й не можуть брати участь у процесі електропровідності – напівпровідник поводиться подібно до діелектрика.


При підвищенні температури теплові коливання решітки призводять до розриву окремих валентних зв'язків. Електрон, що звільнився при розриві зв'язку, стає електроном провідностіі може вільно переміщатися по всьому об'єму напівпровідника, беручи участь у процесі електропровідності.

Крім процесу переносу заряду за допомогою електронів провідності в напівпровідниках реалізується також інший механізм електропровідності. Він обумовлений тим, що при розриві валентного зв'язку утворюється вакантне місце, в околиці якого виникає надлишковий позитивний заряд, рівний за модулем величині заряду електрона. Такий позитивний заряд прийнято називати діркою (пунктирний кружок на рис. 8.7). Наявність дірки, як показано на рис. 8.7, створює додаткову можливість для переносу заряду: на місце відсутнього електрона може перескочити будь-який електрон із сусіднього зв'язку (практично без витрати енергії), при цьому дефектний зв'язок буде відновлений, а дірка виникне вже на новому місці і т.д. Таким чином, відбувається перехід сусідніх електронів зв'язку на величину міжатомної відстані, а дірка, в остаточному рахунку, може мандрувати по всьому кристалу. Досить зручно всі електричні процеси, що пов'язані з переміщеннями електронів зв'язку, розглядати як переміщення в напівпровідниках не цих електронів, а дірок – уявних частинок, що мають елементарний позитивний заряд.

Поряд із переходами електронів зі зв'язаних станів у вільні (генерації електронів і дірок) реалізуються й зворотні переходи, при яких електрони провідності відновлюють порушені зв'язки. Пари електрон – дірка при цьому зникають. Такий процес називається рекомбінацією. При зниженні температури рухлива рівновага процесів генерації й рекомбінації змішується вбік зменшення числа генерацій. При цьому зменшується концентрація вільних електронів і дірок, що веде до збільшення опору напівпровідника.

Під час відсутності зовнішнього електричного поля електрони й дірки рухаються хаотично.


З появою поля на хаотичний рух накладається впорядкований рух: електронів проти поля й дірок у напрямку поля. Таким чином, виникає електричний струм, вільними зарядами якого є електрони провідності й дірки, концентрації яких у чистих напівпровідниках, позбавлених хімічних домішок і інших дефектів решітки, однакові. Розглянутий процес електропровідності напівпровідників одержав назву власної електропровідності.

Є ще один спосіб утворення носіїв струму в напівпровідниках. Можна ввести в чистий напівпровідник контрольовані домішки. Припустимо, що в чистий германій внесена невелика кількість атомів домішки. В якості домішки розглянемо який-небудь елемент п'ятої групи таблиці Менделєєва, наприклад, фосфор (Р). Для здійснення ковалентних зв'язків у решітці германія необхідні всього чотири валентні електрони, тому п'ятий валентний електрон атома фосфору виявляється як би зайвим і легко відділяється від атома за рахунок дуже невеликої додаткової енергії. При цьому виникає електрон провідності, що не залишає дірки, яку міг би зайняти сусідній електрон, а атом фосфору перетворюється в позитивно заряджений, зв'язаний іон. Описаний процес, схематично показано на рис. 8.8,а.

Внесення 5-валентних домішок призводить до того, що в напівпровіднику окрім електронів і дірок власної провідності з'являється додаткове число вільних електронів, концентрація яких визначається концентрацією домішки.



а) б)

Рис. 8.8. Утворення домішкової електропровідності




Додавання одного атома фосфору на мільйон атомів германія призводить до переваги концентрації електронів над концентрацією дірок у тисячу разів. Домішки, атоми яких віддають електрони, одержали назву донорнихдомішок (від лат.


donare – дарити), а напівпровідники, у яких переважають негативні носії заряду – називають напівпровідниками n-типу.

Тепер розглянемо випадок, коли валентність домішки на одиницю менше валентності основних атомів. На рис. 8.8,б умовно показана решітка кремнію, з 3-валентною домішкою атомів бору. Трьома своїми валентними електронами атом бору вступає в ковалентні зв'язки із сусідніми атомами кремнію. Але трьох валентних електронів атома бору недостатньо для утворення зв’язків з усіма чотирма сусідами. Відсутній четвертий електрон буде захоплений з одного із сусідніх зв’язків. У відповідному зв'язку утворюється дірка, атом бору перетвориться в негативний зв'язаний іон, а дірка набуває можливість перемішуватися по кристалу. У такому напівпровіднику, крім електронів і дірок власної провідності, з'являється додаткове число дірок, концентрація яких визначається концентрацією домішки й може на кілька порядків перевищувати концентрацію власних вільних зарядів. Домішки, що призводять до появи дірок, одержали назву акцепторних (від лат. acceptare – приймати), а напівпровідники, у яких переважає діркова електропровідність – називають напівпровідниками p-типу.

Слід звернути увагу на наступне. Електропровідність напівпровідників, яка пов'язана з наявністю в них домішок, називається домішковою. Носії заряду, які представлені в більшості (електрони в напівпровіднику n-типу й дірки в напівпровіднику p-типу), одержали назву основнихносіїв заряду. Але в напівпровідниках n-типу також є й невелика кількість дірок, а в напівпровідниках p-типу невелика кількість вільних електронів. Представлені в меншостях відповідні носії заряду називають неосновними (дірки в напівпровіднику n-типу та електрони в напівпровіднику p-типу).





НАПІВПРОВІДНИКОВИЙ ДІОД. ЗАСТОСУВАННЯ НАПІВПРОВІДНИКІВ


Вам вже відомо, що в електронній лампі носії заряду – електрони – виникають внаслідок термоелектронної емісії. Це потребує спеціального джерела електричної енергії для розжарення нитки катода. У р-n-переході носії заряду утворюються тоді, коли у кристал вводять акцепторну або донорну домішку. Отже, відпадає потреба використовувати джерело енергії для одержання вільних носіїв заряду. У складних схемах зекономлена внаслідок цього енергія буває досить значною.





Мал. 43





Мал. 44


Напівпровідникові випрямлячі при таких самих значеннях випрямленого струму мініатюрніші, ніж електронні лампи, тому радіосхеми на напівпровідниках компактніші.


Зазначені переваги напівпровідникових приладів особливо істотні для використання їх на штучних супутниках Землі, космічних кораблях, в ЕОМ.


Напівпровідникові діоди виготовляють з германію, кремнію, селену та інших речовин.


Розглянемо утворенняр-л-переходу при використанні в діоді германію, що має провідність л-типу за рахунок невеликої добавки донорної домішки. Цей перехід не вдається одержати за допомогою механічного з’єднання двох напівпровідників з різними провідностями, оскільки при цьому буває надто великий зазор між напівпровідниками. Товщина жр – л-переходу має бути не більшою від міжатомних відстаней. Тому в одну з поверхонь зразка вплавляють індій. Внаслідок дифузії атомів Індію в монокристал германію біля поверхні германію утворюється ділянка з провідністю р-типу. Решта зразка германію, куди атоми Індію не проникли, як і раніше, має провідність л-типу. Між двома ділянками з провідністю різних типів і виникає р-п – перехід (мал. 43). У напівпровідниковому діоді германій є катодом, а індій – анодом.


Щоб запобігти шкідливим впливам повітря і світла, кристал германію вміщують у герметичний металевий корпус (мал. 44, а). Схематичне зображення діода подано на мал. 44, б.


Напівпровідникові випрямлячі мають високу надійність і працюють тривалий час. Проте вони можуть працювати лише в обмеженому інтервалі температур(приблизно від – 7 0 до 125 °С) .


З 9 класу ви знаєте, що у напівпровідниках електричний опір значною мірою залежить від температури. Цю властивість використовують для вимірювання температури за силою струму в колі з напівпровідником. Такі прилади називають термісторами або терморезисторами.


Термістори – одні з найпростіших напівпровідникових приладів. Для їх виготовлення використовують германій, селен та ін. Термістори випускають у вигляді стержнів, трубок, дисків, шайб і намистин розміром від кількох мікрометрів до кількох сантиметрів.


Діапазон вимірюваних температур більшості термісторів лежить в інтервалі від 170 до 570 К. Проте є термістори для вимірювання дуже високих (до 1300 К) і дуже низьких (від 4 до 80 К) температур.


Термістори застосовують для дистанційного вимірювання температури, протипожежної сигналізації тощо.


Електрична провідність напівпровідників підвищується не тільки від їх нагрівання, а й від їх освітлення. При освітленні напівпровідника сила струму в колі помітно зростає, що свідчить про збільшення провідності (зменшення опору) напівпровідників під дією світла. Цей ефект не пов’язаний з нагріванням, оскільки він може спостерігатися і при незмінній температурі.


Електрична провідність зростає внаслідок розривання зв’язків і утворення вільних електронів і дірок за рахунок енергії світла, що падає на напівпровідник. Це явище називають фотоелектричним ефектом. Прилади, в яких використовують фотоелектричний ефект у напівпровідниках, називають фоторезисторами або фотоопорами. Завдяки мініатюрності й високій чутливості фоторезистори використовуються в найрізноманітніших галузях техніки для реєстрації і вимірювання слабких світлових потоків. За допомогою фоторезисторів визначають якість поверхонь, контролюють розміри виробів тощо.


Це цікаво знати


Першим кроком у дослідженні напівпровідників було відкриття у 1822 р. німецьким фізиком Т. Зеебеком явища виникнення ЕРС у колі з різних напівпровідників, місця з’єднання яких підтримувалися при різних температурах. Суть дослідів полягала у наступному: Зеебек, відтворюючи досліди Ерстеда, припаював два різних метали, з’єднував їх мідним провідником і розміщав усередині петлі, утвореної провідником, магнітну стрілку. Схема установки Зеебека наведена на мал. 45. Нагріваючи місце спаю за допомогою свічки, Зеебек помітив, що магнітна стрілка відхиляється! А через 12 років Ж. Пельт’є повідомив про температурні аномалії на контакті двох різнорідних провідників при проходженні через цей контакт електричного струму.


У 1821 р. учитель М. Фарадея Г. Деві встановив, що провідність “деяких металів” зменшується зі зростанням температури. Пізніше у 1833 р. вже сам Фарадей помітив, що при нагріванні сірчистого срібла його опір зменшується, тоді як відомо, що опір металів при нагріванні зростає (цю властивість використовують у термісторах – датчиках температури в електричних термометрах).


Фоточутливість напівпровідників вперше помітили в 1873 р. англійські електротехніки В. Сміті Дж. Мей, які при





Мал. 45





Мал. 46


Виготовленні високоомних опорів із селену спостерігали зменшення його опору при освітленні (цю властивість використовують у...


фоторезисторах – складових приладів для вимірювання світлових величин). Це явище відразу ж знайшло практичне використання: скориставшись високою фоточутливістю селену, американський винахідник А. Белл сконструював “фотофон” – прилад для передавання людської мови на відстань прямого зору, а вже на початку XX ст. за допомогою селенових фотоопоріЕ було здійснено передачу зображень по проводах. У1888 р. Російський фізик В. Ульянін у Казані опублікував повідомлення про відкриття ним явища виникнення фотоелектрорушійної сили при освітленні селену крізь напівпрозорий електрод. Знову про це явище повідомив у 1924 р. Г. Гейгер, а в 1932 р. А. Ланге побудував із закису міді перший фотоелемент із запірним шаром.


У 1922 р. інший російський фізик Нижегородської радіолабораторії О. Лосєв сконструював кристалічний детекторний приймач (кристадин), дію якого не могла пояснити жодна фізична лабораторія світу, Дослідження уніполярної (однобічної) провідності деяких речовин проводив німецький фізик Г. Ом, а перший напівпровідниковий (сульфідний) випрямляч для технічного застосування виготовив у 1906 р. у Росії П. Павловський.


Відкриття ж фізичних ефектів, покладених в основу транзистора, пов’язане саме з діяльністю видатного українського фізика В. Лашкарьова (1903-1974). Він по праву мав би одержати Нобелівську премію з фізики за відкриття транзисторного ефекту, якої в 1956р. були удостоєні американські учені Дж. Бардін, В. Шоклі, У. Браттейн.


Ще в 1941 р. В. Лашкарьов опублікував статтю “Дослідження запірних шарів методом термозонда” і у співавторстві з К. Косоноговою – “Вплив домішок на вентильний фотоефект в закису міді”. Лашкарьов встановив, що обидві сторони “запірного шару”, розташованого паралельно межі поділу мідь-закис міді, мають протилежні знаки носіїв струму. (На мал. 46 наведено купрокс-діод нар-л-переході (мідь-закис міді). Його виготовили на військовому заводі в Уфі під керівництвом Лашкарьова під час Другої світової війни і використовували у військових польових радіостанціях.)


Це явище одержало назву р-л-переходу. Вчений пояснив і механізм інжекції – важливого явища, на основі якого діють напівпровідникові діоди і транзистори.


Перше повідомлення в американському виданні про появу напівпровідникового підсилювача-транзистора з’явилося лише у липні 1948 р., тільки через 7 років після статті В. Лашкарьова. Його винахідники – американські учені Бардін і Браттейн пішли по шляху створення так званого точкового транзистора на базі кристала германію л-типу. Перший обнадійливий результат вони одержали наприкінці 1947 р. Проте прилад поводився нестійко, його характеристики відрізнялися непередбачуваністю, і тому практичного застосування точковий транзистор не дістав.


У 1951 р. у США з’явився надійніший – площинний – транзистор л – р-л-типу. Його створив Шоклі. Транзистор складався з трьох шарів германію л-, р – і л-типу, загальною товщиною 1 см, він зовсім не був схожий на подальші мініатюрні, а з часом і невидимі оку компоненти інтегральних схем.


До речі, отримати чисті монокристали германію та кремнію і на їх основі створити площинні транзистори та діоди вдалося іншому українському вченому В. Тучкевичу, який розробив також технологію виготовлення силових напівпровідникових вентилів (тиристорів).


Уже через декілька років значущість винаходу американських учених стала очевидною, і вони були нагороджені Нобелівською премією. Можливо, “холодна війна”, що почалася тоді, відіграла свою рольутому, що В. Лашкарьов не став Нобелівським лауреатом. Його інтерес до напівпровідників не був випадковим. Починаючи з 1939 р. і до кінця життя учений послідовно і результативно займався дослідженням їх фізичних властивостей. На додаток до двох перших праць Лашкарьов у співавторстві із В. Ляшенком опублікував статтю “Електронні стани на поверхні напівпровідника”, в якій було описано результати досліджень поверхневих явищ в напівпровідниках, що стали основою роботи інтегральних схем на базі польових транзисторів.


Під керівництвом В. Лашкарьова на початку 50-х років XX ст. в Інституті фізики АН УРСР було організовано виробництво точкових транзисторів. Сформована ним наукова школа у галузі фізики напівпровідників стала однією з провідних у колишньому СРСР. Визнанням видатних результатів стало створення в 1960 р. Інституту напівпровідників АН УРСР, який очолив В. Лашкарьов. У 2002 р. ім’я В. Лашкарьова присвоєно заснованому ним Інституту напівпровідників НАН України.


Ті, хто глибше цікавиться фізикою, можуть дослідити залежність сили струму діода від температури й освітленості. Для цього ще треба мати фотодіод та мікроамперметр чи міліамперметр (до 5 мА).


Задачі та вправи


Розв’язуємо разом


1. Чи втрачає свою теплову енергію під час зіткнення з йонами гратки електрон провідності металу?


Розв’язання


Ні. Він втрачає тільки незначну кінетичну енергію, якої він набув при напрямленому русі в електричному полі.


2. Дистильована вода навіть після подвійної перегонки трохи проводить струм. Як це пояснити?


Розв’язання


Дуже мала частина молекул води дисоційована, і утворені йони Н+ та ОН” спричиняють невелику провідність води.


3. Яка провідність напівпровідникового матеріалу – вища, власна чи домішкова?


Розв’язання


Домішкова (за тих невисоких температур, під час яких використовують більшість напівпровідникових пристроїв та елементів схем).









Комментарии

Популярные сообщения