Физика для всех. Электроны - Китайгородский А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Но что будет, когда на полупроводник будет наложено поле?
Теперь свободный электрон, "находящийся в верхней зоне, начнет двигаться и даст вклад в негативную проводимость. Но равновесие переходов вниз и вверх будет нарушено. Поэтому в нижней зоне образуется «дырка», которая будет под действием поля двигаться в противоположную сторону. Такие полупроводники называют проводниками со смешанной (позитивно-негативной) проводимостью.
Зонная теория полупроводников является стройной теорией. Читатель не должен полагать, что описанная модель является искусственной и надуманной. Она просто и отчетливо объясняет основное отлцчие металла и полупроводника, а именно, их особое поведение с изменением температуры. Как говорилось в предыдущем параграфе, с возрастанием температуры электрическая проводимость металлов падает — электроны чаще сталкиваются с препятствиями. В полупроводниках возрастание температуры влечет за собой увеличение числа электройов и дырок, а значит увеличение проводимости. Этот эффект, как показывают расчеты, существенно превосходит уменьшение проводимости из-за столкновений с препятствиями.
Для техники основное значение^ имеют проводники с примесями. В этом случае удается создать тела- обладающие только позитивной или только негативной проводимостью. Идея крайне проста.
79
Наиболее распространенными полупроводниками являются германий и кремний. Эти элементы четырехвалентны. Каждый атом связан с четырьмя соседями. Идеально чистый германий будет полупроводником смешанного типа. Число дырок и электронов на 1 см3 очень мало, а именно равно 2,5 •1O13. Это значит примерно один свободный электрон и одна дырка на миллиард атомов.
Заместим теперь один из атомов германия на атом мышьяка. Мышьяк пятивалентен. Четыре его электрона пойдут на то, чтобы связаться с атомами хозяина — германия, а пятый будет свободным. Материал будет обладать электронной (негативной) проводимостью, ибо появление атома мышьяка, разумеется, не приведет к. образованию дырок.
Если примесь мышьяка совершенно ничтожна — один атом на. миллион, то проводимость германия возрастает уже в тысячу фаз.
Вполне понятно, что требуется для превращения германия в проводник р-типа. Д.ля этого надо заместить атом германия на трехвалентный атом,— скажем, атом индия.
Теперь ситуация будет следующая. Атом германия, находящийся по соседству с гостем, превратится в положительный ион, так как ему придется волей-неволей образовать связь с атомом индия, которому не хватает электрона. Но мы уже знаем, что положительный ион играет роль дырки. Под действием поля «дырка» будет перемещаться, а движения свободных электронов не будет.
Не приходится удивляться, что промышленность полупроводников оказала огромное влияние на технику выращивания чистых кристаллов. Как же иначе, раз миллионные доли примесей решают дело!
Было бы неверным представлять себе, что в проводниках га-типа отсутствует дырочная проводимость. Дырки имеются, но их число существенно меньше числа свободных электронов. Электроны в случае полупроводников п-типа являются основными носителями тока, а дырки, представленные в меньшинстве, называют неосновными носителями тока. Напротив, в проводниках р-типа основными носителями являются дырки, а неосновными — электроны.
80
/
p — tt-ПЕРЕХОД
После того как стало понятным, что такое р- и га-полупроводники, можно разобраться в одном интересном эффекте, очень важном для современной электроники. Эффект возникает в области перехода между р- и га-полупроводниками, плотно соединенными друг с другом (р — га-переход). Английское слово transition, переход, послужило основой для названия целого
класса приборов, работа которых основана на р —га-переходе. Что же произойдет, если взять два бруска одинакового сечения с очень-очень гладко отшлифованными торцами, один из которых будет изготовлен из.Ge с примесью In (полупроводника р-типа), а другой из Gee примесью As, потом сложить их торцами и плотно прижать друг к другу. Получится, фактически, единый кристалл германия, только в одной половине будет ИЗбыТОК _СВОу
бодных электронов,* а в другой — избыток дырок.
Чтобы не усложнять объяснения, забудем про неосновные носители тока. В начальный момент времени (см. рис. 2.10, вверху) обе половины кристалла электрически нейтральны. Но в .га-части имеется (несмотря на электрическую нейтральность) «липшее» число электронов (черные точки), а в правой р-части бисквита — «лиш-
ние» дырки (кружки). • Рис. 2.10.
81
И электроны* и дырки могут свободно переходить через границу. Причина перехода совершенно та же, что и в случае перемешивания двух газов, сосуды с которыми соединены. Но, в отличие от газовых молекул, электроны и дырки обладают способностью к рекомбинации.
Было у нас шесть черных точек слева и шесть кружков справа. Как только начался переход, кружок и точка уничтожили друг друга. На следующей схеме показано, что в левой части осталось меньше электронов, чем это нужно, чтобы эта половинка бисквита была электрически нейтральной; правая часть имеет одним кружком меньше.
