Полупроводники

Автор - Iron Rat.

Ещё в школе разъясняют, что все вещества в зависимости от их электропроводности можно разделить на 3 класса - проводники, полупроводники и диэлектрики(при этом обычно "забывая" про сверхпроводники, вещества интересные, но относительно мало изученные).

Проводники очень хорошо проводят электрический ток, причём их электропроводность ничто не способно сильно изменить - она лишь слегка растёт при нагреве.
Диэлектрики же наоборот, ток почти не проводят, их электропроводность крайне мала и меняется очень мало.
Очень интересны полупроводники - электропроводность одного и того же кусочка полупроводника(например, германия) может изменяться в миллиарды раз в зависимости от освещённости, температуры, количества примесей и.т.д. Что же является причиной столь необычных свойств?

Сразу должен оговориться, что полупроводников в природе огромное количество, происходящие в них процессы очень сложны и разнообразны. Однако самые важные и общие свойства можно объяснить на примере одного представителя бесчисленного полупроводникового семейства - германия, который долгие годы верой и правдой служил основой полупроводниковой промышленности, за что все мы ему благодарны.

Итак, рассмотрим атом германия - у него 32 электрона, при этом 28 из них очень сильно привязаны к атому и при нормальных условиях не могут его покинуть, ибо для этого им надо получить Очень Большую (по атомным меркам) Энергию - до 10000 Эв, (средняя энергия электрона при комнатной тампературе 0,026Эв). При рассмотрении принципов работы полупроводниковых приборов про них можно забыть - пусть себе сидят у атома и ни на что не влияют. Оставшиеся же 4 электрона, так называемые Валентные Электроны связаны со своим атомом слабее, могут от него отрываться насовсем или, лишь слегка отодвинуться от родного атома, чтобы слиться со своим собратом из соседнего атома (что называют ковалентной связью). Если собрать вместе много атомов германия, то каждый из них протянет соседям 4 свои "руки" - 4 валентных электрона. Итак, образовался кристалл, однако, на первый взгляд, ток в нём не потечёт, ибо даже валентные электроны, участвующие в образовании связей, довольно сильно привязаны к своему атому, чтобы оторваться от него и начать бегать по кристаллу им надо получить энергию около 0,7 эВ.
Однако, если температура нашего кристалла не равна абсолютному нулю, то все его атомы непрерывно шевелятся, и чем больше температура - тем сильнее они шевелятся, при этом атом может так "пнуть" свой электрон, что тот оторвётся от него (ибо пинок передал ему ту энергию, что необходима для отрыва).

На месте же, откуда ушёл электрон останется ненасыщенная связь, где мог бы разместиться какой-нибудь электрон, эдакое незанятое место, которое называют Дыркой. Находящийся рядом с ней валентный электрон может перескочить с насиженного места в появившуюся неподалёку дырку, таким образом дырка переместиться в то место, откуда ушёл электрон. Этот процесс можно рассматривать как движение положительно заряженной частицы (ведь дырка - это место, откуда ушёл отрицательно заряженный электрон, а если у нейтрального тела отнять отрицательный заряд оно станет заряженным положительно). Получается, что в полупроводнике в токе участвуют одновременно 2 типа носителей - отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные дырки.
Таким образом даже в абсолютно чистом германии есть немного свободных электронов и столько же дырок, причём чем больше температура - тем их больше. Если к такому полупроводнику приложить разность потенциалов, то носители начнут двигаться в ту сторону, в которую их тянет поле; электрончики побегут от минуса к плюсу, а дырки - от плюса к минусу, возникнет электрический ток.

Введём теперь понятие, которое в дальнейшем очень нам поможет - Энергетическая диаграмма. Это график, ось x - координата электрона, ось y - энергия электрона.
У электронов, привязанных к своим атомам энергия меньше, чем у свободных - они образуют сообщество валентных электронов, расселённых по всей оси Х и обладающих энергией, которую мы назовём Ev -энергия валентных электронов. Их обиталище называется Валентная Зона.
Свободные электроны так же можно найти в любом месте кристалла - а энергия у них больше на 0,6эВ - необходимую для отрыва. Эти электроны образуют Зону Проводимости, которая тоже размазана по всему кристаллу(по всей оси Х) , но чтобы в ней оказаться надо иметь энергию не меньше чем Ec = Ev+0.6Эв.

Промежуток между валентной зоной и зоной проводимости называют Запрещённой Зоной в разность между Ec и Ev называют Шириной Запрещённой Зоны Eg =Ec-Ev. В идеальном кристалле электроны не могут, не имеют права находиться в запрещённой зоне (объясняет это квантовая механика).

Теперь посмотрим, что получится, если в германий добавить атомы примеси, у которых число валентных электронов на один больше, то есть 5 штук. Такой атом, занимая место атома германия, 4мя своими электронами связывается с окружающими его атомами германия, а вот пятый электрон не находит себе места. Он находится около примесного атома, но связан с ним намного слабее, чем 4 его собрата, участвующие в ковалентной связи. Энергия, необходимая для освобождения намного меньше Eg, поэтому даже при небольших температурах эти электроны переходят в зону проводимости, оставляя примесные атомы, которые при этом заряжаются положительно. То есть, атом отдаёт один из своих электронов кристаллу, поэтому такие примеси называются Донорными или просто Донорами. Как же такие электроны будут отображёны на энергетической диаграмме? Электрон болтается в непосредственной окрестности атома примеси, а энергии для полного отрыва ему не хватает совсем немного, следовательно такой энергетический уровень будет отображён чёрточкой, находящейся недалеко от Ec.
Почему же так важны эти самые примеси? Оказывается, они очень сильно влияют на электропроводность кристалла. Ведь электропроводность прямо пропорциональна количеству свободных (не привязанных к определённой точке кристалла) носителей заряда (электронов и дырок), которых в чистом германии при комнатной температуре очень мало (1012 штук в одном кубическом сантиметре). Поэтому, если в одном кубическом сантиметре находится 1015 атомов примеси (один атом примеси на миллион атомов германия) электропроводность по сравнению с чистым германием возрастёт в 1000 раз. Это типичная для полупроводников ситуация - очень многие их параметры определяются не свойствами исходного материала, а количеством и типом введённых в него в ничтожном количестве примесей.
Такова очень краткая и неполная карикатура процессов, происходящих в полупроводниках. Надеюсь, что она поможет начинающему сориентироваться в этом сложном и интересном предмете и приступить к его постижению, обратившись к более серьёзным источникам. Напоследок краткое замечание об использованной единице измерения энергии под названием электрон-вольт (эВ) - это величина энергии, которую приобретает электрон, разогнанный разностью потенциалов в 1 Вольт. 1Эв = 1,6*10-19 Джоуля. Как видите, это весьма маленькая энергия, однако именно энергиями такой величины приходится оперировать, описывая происходящие в полупроводниках процессы.

Вернуться к списку схем, категория "Начинающим"