По свойствам проводимости электрического тока вещества подразделяются на проводники и диэлектрики (изоляторы). Существуют вещества, занимающие промежуточное место между диэлектриками и проводниками. Их называют полупроводниками. При определенных условиях (например, при сверхнизких температурах) полупроводники становятся отличными изоляторами. При повышении температуры либо под воздействием различных видов излучения (например, света определенной частоты) удельная проводимость полупроводников возрастает – они становятся проводниками тока.
Полупроводники
К классу полупроводников относятся химические элементы:
· германий;
· мышьяк;
· теллур;
· кремний;
· и другие.
Аналогичные свойства проявляют множество сплавов и соединений:
· фосфид кадмия;
· бромид таллия;
· сульфид олова;
· оксид никеля;
· оксид меди и другие соединения.
В зависимости от состава (количества компонентов) полупроводящего материала они классифицируются по группам. Отдельные группы составляют органические и магнитные полупроводники. Несмотря на такое большое разнообразие полупроводниковых материалов, их объединяет одна особенность – электронно-дырочная проводимость.
С электронами все понятно, а что это за дырки, проводящие ток? Где берутся эти токопроводящие дырки в веществе?
Если отвечать коротко – нигде, токопроводящих дырок в веществе попросту нет. «Дырка» - условное название положительного иона в кристаллической решетке полупроводника. В отличие от ионов в жидкостях и газах, эти заряженные частицы не могут свободно передвигаться, так как они являются составной частью кристаллической решетки, и до ее разрушения остаются на своих местах. Они колеблются, но не перемещаются.
Казалось бы, ответ на вопрос исчерпан: дырок нет, следовательно, нет смысла рассматривать вопрос о превращении атома в дырку. Да, атом не может превратиться в дырку в ее обычном понимании, но в условную «дырку» проводимости – еще как может, и превращается. Рассмотрим более подробно, как это происходит.
Атомы в кристаллах полупроводников и их ковалентные связи
Рассмотрим в качестве примера монокристалл кремния. Электроны высоких уровней (на самых удаленных орбитах) связаны двумя атомами этого элемента. При низких температурах у электрона нет необходимой энергии для того, чтобы вырваться из объятий связывающих его атомов. Однако, если повысить температуру до определенного уровня, некоторые электроны способны оторваться от ядра. Но их место могут занять (и занимают) электроны соседних атомов.
В результате разрыва связей, произошедшего между электроном и ядром, образуется свободное место в электронной оболочке атома – «дырка» с положительным зарядом: атом кремния превращается в положительный ион кремния.
Если у электрона, покинувшего свою орбиту, достаточно энергии, он на какое-то время становится свободным. Однако, в сравнении с металлами, таких электронов очень мало, к тому же они не совсем свободны, так как рано или поздно произойдет рекомбинация дырок с их участием. Сравните строение проводника, полупроводника и диэлектрика на рисунке 1.
В центре схема полупроводника. Белым кружком изображено дырку, образованную освободившимся электроном. Атом (в центре) превратился в положительный ион.
В результате хаотического движения освободившиеся электроны теряют часть энергии и восстанавливают свои связи с другими атомами, заполняя свободные «дырки».
Этот процесс происходит постоянно и хаотически. В частности, при комнатной температуре в большинстве полупроводников происходит непрерывное, неконтролируемое образование дырок и их рекомбинация. Очень небольшое количество электронов способно мигрировать между атомами кристалла, но потеряв часть энергии, они восстанавливают ковалентные связи с другими атомами, то есть заполняют ближайшие дырки.
В рассмотренном примере концентрация свободных электронов и концентрация дырок одинакова, поскольку дырки образуются в процессе ионизации атомов. Такие полупроводники называются полупроводниками с собственной проводимостью.
Если к концам такого полупроводника подать напряжение, по нему потечет слабый ток. Природа этого тока – электронно-дырочная. Под действием ЭДС движение электронов приобретет направленность (к положительному полюсу источника питания). Они будут оставлять за собой дырки, заполняемые надвигающимися очередными, следующими за ними электронами. То есть, дырки будут перемещаться в противоположную сторону. Обратите внимание: перемещаются не ионы, а именно дырки, то есть, образование свободных связей происходит в сторону отрицательного полюса источника питания. Поскольку электрон не может мигрировать, не оставив после себя дырку, то данный вид проводимости называется электронно-дырочным. Здесь электроны и дырки – равноправные «участники процесса».
Схема электронно-дырочной проводимости понятна из рисунка.
В современной электронной промышленности часто применяют не чистые монокристаллы, а полупроводники, изготовленные на основе монокристаллов с примесями атомов трехвалентных и даже пятивалентных химических элементов.
Разные типы проводимости
Если в кремний добавить примесь пятивалентного мышьяка, то его атомы вступят в связь с атомами кремния. Но в насыщенных валентных связях для пятого электрона мышьяка нет места, поэтому он вынужден перейти на дальнюю электронную оболочку. Для превращения такого удаленного электрона в свободный, потребуется значительно меньше энергии. Дырка при этом не образуется. Такой полупроводник проводит ток подобно металлам. Основным носителем заряда является электрон, а тип полупроводника – «n-тип», от слова «negative» (отрицательный).
В кремний можно добавить другую примесь, например трехвалентный индий. Каждый атом индия установит ковалентную связь с тремя атомами кремния. Для установки связи с четвертым атомом, индию необходим еще один электрон, которого в данного элемента нет. Он захватывает недостающий электрон у соседнего атома кремния, образуя в нем «дырку». Таким образом, получается полупроводник с излишком дырок, называемый «p-типом» от слова «positive» (положительный).
Полупроводниковый диод
А что произойдет, если соединить два полупроводника с разными типами проводимости – дырочной и электронной? Логика подсказывает, что электроны должны ринуться к дыркам и рекомбинировать их. Но на самом деле так не происходит. Часть электронов действительно заполнит свободные места на границе соединения. Образуется тонкий слой диэлектрика, который станет барьером для дальнейшего проникновения зарядов.
p-n переход, образовавшийся на границе полупроводников разных типов, приводит к образованию разнице потенциалов (0,3-0,6 В) на концах новообразованного полупроводника – с одной стороны излишек электронов, а с другой – излишек дырок.
Однако, если электронам сообщить дополнительную энергию, они могут преодолеть барьер на границе соединения. То есть, подключив источник питания плюсом к p-полупроводнику, а минусом к n-полупроводнику, то при достаточном напряжении в полупроводнике появится электрический ток. Однако в обратном направлении ток не потечет. Рассмотренная нами конструкция работает как диод. Она так и называется – полупроводниковый диод.
Полупроводниковые диоды почти вытеснили из электроники вакуумные приборы, благодаря их миниатюризации и малому потреблению энергии.
На рисунке: а) конструкция диода; б) схематическое изображение: в) разные типы полупроводниковых диодов.
На основе полупроводников созданы транзисторы, интегральные микросхемы и много других приборов, являющихся строительными кирпичиками и даже блоками современных электронных устройств.
Электронные устройства, которые сравнительно недавно занимали целые помещения, сегодня, благодаря полупроводникам, свободно помещаются в карман потребителя (например, миниатюрный компьютер, сочетающий в себе множество функций, в т. ч. телефона).