Между проводниками и диэлектриками, по величине удельного сопротивления, располагаются полупроводники. Кремний, германий, теллур и т. д. - многие элементы периодической таблицы и их соединения относятся к полупроводникам. Очень многочисленные неорганические вещества являются полупроводниками. Шире других в природе распространен кремний, земная кора состоит из него на 30%.
Главное яркое отличие полупроводников от металлов заключается в отрицательном температурном коэффициенте сопротивления: чем выше температура полупроводника — тем ниже его электрическое сопротивление. У металлов наоборот: чем выше температура — тем выше сопротивление. Если полупроводник охладить до абсолютного нуля — он станет диэлектриком.
Температура выше — сопротивление ниже
Такая зависимость проводимости полупроводников от температуры свидетельствует о том, что концентрация свободных носителей заряда у полупроводников не постоянна, и увеличивается вместе с температурой. Механизм прохождения электрического тока через полупроводник нельзя свести к модели газа свободных электронов как в металлах. Чтобы понять этот механизм, можно для примера рассмотреть его на кристалле германия.
В обычном состоянии атомы германия содержат на своей внешней оболочке четыре валентных электрона — четыре электрона, которые слабо связаны с ядром. При этом каждый атом в кристаллической решетке германия окружен четырьмя соседними атомами. И связь здесь ковалентная, это значит что она образуется парами валентных электронов.
Получается, что каждый из валентных электронов принадлежит одновременно двум атомам, и связи валентных электронов внутри германия с его атомами сильнее нежели в металлах. Вот почему при комнатной температуре полупроводники на несколько порядков хуже проводят ток по сравнению с металлами. А при абсолютном нуле все валентные электроны германия были бы заняты в связях и свободных электронов для обеспечения тока не осталось бы.
С ростом температуры часть валентных электронов приобретает энергию, которой становится достаточно для нарушения ковалентных связей. Так возникают свободные электроны проводимости. В областях разрыва связей образуются своеобразные вакантные места - дырки, свободные от электронов.
Эту дырку может легко занять валентный электрон из соседней пары, тогда дырка как-бы сместится на место у соседнего атома. При определенной температуре в кристалле образуется некоторое количество так называемых электронно-дырочных пар.
Одновременно идет процесс рекомбинации электронов с дырками — дырка, встречаясь со свободным электроном, восстанавливает ковалентную связь между атомами в кристалле германия. Такие пары, состоящие из электрона и дырки, могут возникать в полупроводнике не только от температурного действия, но и при освещении полупроводника, то есть за счет энергии падающего на него электромагнитного излучения.
Если внешнее электрическое поле к полупроводнику не приложено, то свободные электроны и дырки участвуют в хаотичном тепловом движении. Но когда полупроводник помещается во внешнее электрическое поле, электроны и дырки начинают двигаться упорядоченно. Так рождается ток в полупроводнике.
Он состоит из электронного тока и дырочного тока. В полупроводнике концентрация дырок и электронов проводимости равны. И только в чистых полупроводниках проявляется электронно-дырочный механизм проводимости. Это собственная электрическая проводимость полупроводника.
Примесная проводимость (электронная и дырочная)
Если в полупроводнике наличествуют примеси, то его электрическая проводимость очень изменяется по сравнению с чистым полупроводником. Добавление примеси в виде фосфора в кристалл кремния, в количестве 0,001 атомного процента, увеличит проводимость более чем в 100000 раз! Столь существенное влияние примесей на проводимость объяснимо.
Главное условие роста проводимости от примесей — отличие валентности примеси от валентности основного элемента. Такая проводимость с примесями называется примесной проводимостью, и может быть электронной и дырочной.
Кристалл германия начинает обладать электронной проводимостью если в него введены пятивалентные атомы, допустим, мышьяка, тогда как валентность атомов самого германия — четыре. Когда пятивалентный атом мышьяка оказывается в узле кристаллической решетки германия, четыре внешних электрона атома мышьяка включаются в ковалентные связи с четырьмя соседними атомами германия. Пятый же электрон атома мышьяка становится свободным, он легко покидает свой атом.
А покинутый электроном атом становится положительным ионом в узле кристаллической решетки полупроводника. Это так называемая донорная примесь, когда валентность примеси больше валентности основных атомов. Здесь появляется много свободных электронов, вот почему с введением примеси в тысячи и в миллионы раз падает электрическое сопротивление полупроводника. Полупроводник с большим количеством добавленных примесей по удельной проводимости приближается к металлам.
Хотя за собственную проводимость в кристалле германия с примесью мышьяка отвечают электроны и дырки, основными носителями свободного заряда являются все же электроны, покинувшие атомы мышьяка. В такой ситуации концентрация свободных электронов сильно превосходит концентрацию дырок, и данный вид проводимости называется электронной проводимостью полупроводника, а сам полупроводник — полупроводником n-типа.
Если же вместо пятивалентного мышьяка в кристалл германия добавить трехвалентный индий, то он создаст ковалентные связи лишь с тремя атомами германия. Четвертый атом германия останется без связи с атомом индия. Но ковалентный электрон может быть захвачен из соседних атомов германия. Индий будет тогда отрицательным ионом, а соседний атом германия приобретет вакантное место на месте где существовала ковалентная связь.
Примесь такого рода, когда атом примеси захватывает электроны, называется акцепторной примесью. При введении акцепторной примеси, в кристалле нарушаются многочисленные ковалентные связи, и образуется много дырок, в которые электроны могут перепрыгивать с ковалентных связей. В отсутствие электрического тока дырки хаотически движутся по кристаллу.
Акцепторная примесь приводит к резкому росту проводимости полупроводника благодаря рождению обилия дырок, и концентрация этих дырок сильно превышает концентрацию электронов собственной электропроводности полупроводника. Это дырочная проводимость, а полупроводник называется полупроводником p-типа. Основными носителями заряда в нем выступают дырки.