Все твердые вещества по своим электрическим свойствам разделяют на проводники, полупроводники и диэлектрики.
Полупроводники занимают по электропроводности промежуточное положение между металлами (проводниками электрического тока) и диэлектриками. Удельное электрическое сопротивление проводников составляет ρ = 10-4 Ом см, полупроводников - ρ = 10-4 - 1010 Ом см, диэлектриков - ρ = 1010 Ом см и выше.
Для изготовления полупроводниковых приборов в настоящее время используют помимо германия и кремния некоторые химические соединения, например арсенид галлия, окись титана, антимонид индия, фосфид индия и др. Наиболее широко применяют кремний и германий.
Германий и кремний - элементы четвертой группы периодической системы Д.И. Менделеева, т.е. являются четырехвалентными элементами. В валентной зоне каждого атома германия и кремния имеется по четыре валентных электрона. Германий и кремний имеют атомные кристаллические решетки. Связь между атомами в таких решетках парноэлектронная или ковалентная. Каждый атом в них связан с соседним двумя электронами - по одному от каждого атома. Схематическое изображение кристалла германия на плоскости показано на рис.1. Каждый атом в монокристалле германия окружен четырьмя соседними атомами, с которыми он связан парноэлектронными связями. В результате валентная оболочка каждого атома имеет восемь электронов, т.е. оказывается полностью заполненной. В таком кристалле все валентные электроны связаны между собой прочными парноэлектронными связями. Свободных электронов, которые могли бы участвовать в переносе зарядов, нет.
Возможно вы искали - Учебное пособие: Физические основы распространения излучения по оптическому волокну
Рисунок 1
Чистые полупроводники при нуле абсолютной температуры (Т = 0ºК) являются идеальными диэлектриками.
Однако в нормальных условиях, при комнатной температуре, некоторые валентные электроны кристаллической решетки получают энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи, т.е. для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Вследствие разрыва одной парноэлектронной связи образуются два носителя заряда: электрон и дырка.
Электрон, как известно, является носителем элементарного отрицательного заряда. При разрыве парноэлектронной связи электрон отрывается от атома, после чего одна связь в атоме оказывается незаполненной - свободной.
Незаполненная электронная связь в кристаллической решетке полупроводника называется дыркой. Дырка обладает положительным зарядом, по абсолютной величине равным заряду электрона, и, следовательно, является носителем положительного заряда.
Похожий материал - Курсовая работа: Фильтр верхних частот Баттерворта
Дырка может быть заполнена электроном, оторвавшимся от соседнего атома. Процесс заполнения электроном дырки называется рекомбинацией. При этом в соседнем атоме на месте ушедшего электрона образуется новая дырка.
В обычных условиях, т.е. при комнатной температуре, процесс возникновения пары электрон - дырка и рекомбинация происходят непрерывно. В результате устанавливается динамическое равновесие, при котором в чистом полупроводнике концентрация электронов равна концентрации дырок.
Наличие носителей зарядов в полупроводнике объясняет его проводимость. Проводимость чистого полупроводника, обусловленная электронами и дырками, возникающими только в результате разрыва парноэлектронных связей, называется собственной проводимостью.
При отсутствии внешнего электрического поля электроны и дырки перемещаются в объеме полупроводника беспорядочно. Если же к полупроводнику приложить напряжение, то в нем возникает упорядоченное движение электронов в одном направлении и дырок в другом - противоположном направлении. Через полупроводник протекает ток, который равен сумме токов электронного In и дырочного Ip , т.е.
I = In + Ip . (1.1)
Очень интересно - Курсовая работа: Фильтр нижних частот
Ток, протекающий в полупроводнике при равновесной концентрации носителей зарядов (электронов и дырок), называется дрейфовым током или током проводимости.
Плотность дрейфового тока определяет удельную электропроводность полупроводников σ. Так, для германия удельная электропроводность
σGe = 2 10-2 Ом-1 см-1, а для кремния
σSi = 4 10-6 Ом-1 см-1, т.е. σGe >>σSi .
С повышением температуры удельная электропроводность увеличивается по экспоненциальному закону.
Вам будет интересно - Реферат: Фильтровой обнаружитель одиночных сигналов
Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником или полупроводником і - типа. Он обладает собственной электропроводностью, которая, как было показано, складывается из электронной и дырочной электропроводности.
Если в полупроводнике имеются примеси других веществ, то дополнительно к собственной электропроводности появляется еще примесная электропроводность, которая в зависимости от рода примеси может быть электронной или дырочной.
Для получения полупроводника с электронной электропроводностью в чистый полупроводник - германий или кремний - вводят небольшое количество элемента пятой группы периодической системы элементов: сурьмы (Sb), мышьяка (As), фосфора (P). Их атомы взаимодействуют с атомами германия только четырьмя своими электронами (рис.2) образуя прочные парноэлектронные связи с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон, например атома мышьяка, в образовании парноэлектронной связи не участвует. Поэтому он оказывается слабо связанным со своим атомом и может быть легко оторван от него. В результате он превращается в свободный электрон, который может свободно перемещаться в объеме полупроводника, создавая электронную проводимость.
Атом мышьяка, потерявший один электрон, превращается в положительный ион, который оказывается неподвижным, так как он прочно удерживается в узле кристаллической решетки парноэлектронными связями.
Подвижные носители зарядов, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными носителями зарядов.
Похожий материал - Курсовая работа: Фильтры верхних частот
Элементы, атомы которых отдают свои электроны, создавая в полупроводнике избыток свободных электронов, называются донорами.
Обычно донорами для германия являются мышьяк и сурьма, а для кремния - фосфор и сурьма.
В полупроводнике с донорными примесями электроны являются основными носителями зарядов, а дырки - не основными.
Проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике избыточных свободных электронов, называется электронной проводимостью.