Коллега, думаю, что ясное понимание эффекта Столетова позволяет нам выяснить физический смысл процессов, происходящих в полупроводниках, без которых не мыслим современный мир электроники.
Это так, мой друг, однако здесь надо помнить, что в эффекте Столетова мы имеем дело с диэлектриком, расположенным между металлическими электродами (катод и анод), а в данном случае между катодом и анодом находятся полупроводники, которые проявляют свойства металлов и неметаллов в тех или иных условиях. По значению удельного электрического сопротивления они занимают промежуточное положение между хорошими проводниками и диэлектриками (изоляторами).
Например, проводимость хорошего проводника, которым является серебро – Ag, больше проводимости хорошего изолятора, которым является стекло, примерно в 1022 раз! Более того, атомы углерода – С, в зависимости от того, какую кристаллическую решётку они образовали, являются либо хорошим проводником – графит, либо прекрасным изолятором – алмаз. Значит, проводимость здесь зависит не столько от свойств атомов, составляющих кристалл, сколько от того, какие отношения сложатся у каждого атома со своими соседями, то есть от типа связей, объединяющих атомы в кристаллическую решётку твёрдого тела.
Для полупроводников характерно кристаллическое строение с ковалентной связью между атомами, которая образуется за счёт общих валентных электронов (внешних электронных пар). Это значит, что внешние электроны уже не принадлежат только своему атому, а обращаются вокруг двух или нескольких атомов кристаллической решётки, объединяя их ковалентной связью.
Например, атомы германия – Ge связаны друг с другом валентными электронами. Эта связь происходит следующим образом (см. рис. 1). У германия 4 валентных электрона и вокруг каждой пары атомов движутся 2 валентных электрона – по одному от каждого атома. Атомы выстраиваются так, чтобы у каждого было столько соседних атомов, сколько валентных электронов он имеет. Таким образом, все валентные электроны у всех атомов получаются задействованными и каждый атом в этом случае связан с ближайшими соседями прочными электронными связями. Такую связь мы называем ковалентной.
Рис. 1. На рисунке показана развернутая в плоскость модель фрагмента кристаллической решётки германия, на которой демонстрируется ковалентная связь.
Аналогично выстраивается кристаллическая решётка и у кремния – Si (самый распространённый в природе полупроводник, составляющий примерно 30 % земной коры). Он, как и германий, находится в четвёртой группе элементов таблицы Менделеева. Следовательно, у него тоже 4 валентных электрона и каждый из них готов образовать общую электронную пару с валентным электроном соседнего атома (см. рис. 2). В результате атом кремния тоже окружён четырьмя атомами, каждый из которых вносит в ковалентную связь по одному валентному электрону. Соответственно, вокруг каждого атома выстраивается по 8 электронов (4 своих и 8 чужих), которые связывают эти атомы прочной ковалентной связью.
Рис. 2. Кристаллическая решётка кремния – Si.
Согласно волновой теории поля самыми прочными электронными оболочками в атомах являются полностью заполненные оболочки, в которых насчитывается 2, 8, 18, 32 электрона. Поэтому германий и кремний в чистом виде, имеющие в кристаллических решётках по 8 валентных электронов, являются хорошими изоляторами, ибо свободных электронов в них нет.
Коллега, тогда почему они называются полупроводниками?
Как мы уже выяснили, мой друг, электрическая проводимость чистого (беспримесного или, как принято говорить, собственного) полупроводника очень мала. Поэтому в большинстве случаев применяются полупроводники, обладающие так называемой примесной проводимостью. Чтобы превратить собственный (чистый) полупроводник в примесный, необходимо ввести в его кристаллическую решетку некоторое количество специально подобранной химической добавки, т.е. осуществить легирование полупроводника.
Существуют легирующие примеси двух видов: доноры и акцепторы.
Доноры (дающие, жертвующие свои электроны) – пятивалентные элементы (пятая группа элементов в таблице Менделеева), такие как фосфор – P, мышьяк – As, сурьма – Sb. При ковалентной связи атомов донора с основным полупроводником образуется один лишний электрон.
Акцепторы (принимающие, берущие внешние электроны) – трехвалентные элементы (третья группа элементов), такие как бор – B, алюминий – Al, индий – In, галлий – Ga. При ковалентной связи с акцептором в ней недостаёт одного электрона.
Коллега, теперь понятно, что мы имеем дело с двумя типами полупроводников. Одни имеют свободные электроны, а у других, наоборот – недостаток электронов в ковалентных связях. Это так?
Именно так, мой друг. На основании этого различают полупроводники n-типа и p-типа.
Для получения полупроводника n-типа в кристалл 4-х валентного кремния вводят примесь донора (например, пятивалентного мышьяка – As). При этом четыре валентных электрона мышьяка образуют связи с четырьмя соседними атомами кремния, а пятый электрон примеси не участвует в образовании ковалентных связей. Он легко может быть оторван от своего атома и стать свободным (см. рис. 3).
Рис. 3. Полупроводник n-типа.
При комнатной температуре практически все электроны примеси, не образующие ковалентных связей с атомами кремния, становятся свободными и участвуют в электрической проводимости.
Поэтому электропроводность полупроводника n-типа принято считать электронной, ибо в пределах такого полупроводника основными носителями электрического тока являются отрицательно заряженные электроны.
При этом следует помнить, что даже примесный полупроводник является электрически нейтральным, ибо общее количество положительно заряженных протонов в нём равно количеству отрицательно заряженных электронов, включая и свободные.
Если часть свободных электронов покинет полупроводник n-типа, то объёмная плотность энергии в нём уменьшится, что повлечёт приток электронов извне. Следовательно, сколько электронов из данного полупроводника уходит во внешнюю электрическую цепь, столько же их притекает из внешней цепи.
Для получения полупроводника p-типа в кристалл 4-х валентного кремния вводят примесь акцептора (например, трёхвалентного индия – In). При этом три валентных электрона примеси образуют ковалентные связи с тремя из четырех соседних атомов кремния, а одна из ковалентных связей полупроводника остаётся незавершенной – эта связь разорвана и её принято называть дыркой (см. рис. 4).
Рис. 4. Полупроводник p-типа.
Любой из электронов ковалентной связи может попасть на траекторию дырки и восстановить эту разорванную связь, но сама дырка переместится на место пришедшего электрона. Далее дырка может переместиться к следующему атому. То есть, подобно электрону проводимости, разорванная связь (дырка) может хаотически перемещаться между атомами кристаллической решётки полупроводника p-типа.
Рекомбинировать с дырками могут и электроны из внешней электрической цепи, но тогда объёмная плотность энергии в полупроводнике увеличивается и выталкивает лишние электроны во внешнюю цепь. То есть и в этом случае, сколько электронов в данный полупроводник притекло из внешней электрической цепи, столько же их и утекло во внешнюю цепь. В самом же полупроводнике мы наблюдаем только движение дырок. Поэтому электропроводность полупроводника p-типа принято считать дырочной, ибо в пределах такого полупроводника основными носителями электрического тока являются положительно заряженные дырки.
Дополнение: Здесь следует подчеркнуть, что реально перемещаются только электроны, ибо никакой реальной частицы «дырки» не существует. Её, в отличие от электрона, нельзя извлечь из кристалла и отдельно изучить её поведение. Поэтому дырку называют квазичастицей (от лат. quasi – нечто вроде, как будто, как бы).
Дырка есть просто отсутствие электрона на ковалентной траектории, связывающей атомы кристалла. Но гораздо удобнее следить не за перемещением электронов с одной связи на другую для рекомбинации с дырками, а за перемещением пустой связи – дырки внутри полупроводника.
Коллега, это понятно. Однако об эффекте Столетова ещё не сказано ни слова. Как он связан с процессами, протекающими в полупроводниках? Например, в диоде – самом простом из полупроводников.
Терпение, мой друг. До сих пор мы говорили отдельно о полупроводниках n-типа и p-типа. Теперь попробуем соединить их вместе, чтобы в зоне контакта получить электронно-дырочный переход (p-n-переход) между двумя p- и n-областями. Именно так изготавливаются диоды.
Справка: Диодом называется контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной n – электропроводностью (n-тип), другой с дырочной р – электропроводностью (p-тип).
Рис. 5. Структура диода и его условное обозначение. Здесь два электрода: катод (–) и анод (+).
Рассматривая эффект Столетова, мы договорились, что энергия свободного электрона характеризуется не только энергией отрыва от атома (энергия ионизации), а и работой выхода с поверхности конденсированной среды (жидкость или твердое тело). Именно барьер, связанный с работой выхода является причиной поляризация электрических зарядов на границе раздела двух сред. Следовательно, в тонком граничном слое n-области повышается концентрация отрицательных зарядов (см. рис. 5). Соответственно, и объёмная плотность энергии поля здесь заметно выше, чем в остальной части полупроводника n-типа. Поэтому приток отрицательных зарядов к граничному слою прекращается.
Аналогичный процесс происходит в тонком граничном слое р-области. Но здесь, наоборот, концентрация положительных зарядов (соответственно, и объёмная плотность энергии поля) заметно ниже, чем в остальной части полупроводника р-типа, и приток положительно заряженных дырок к граничному слою тоже прекращается.
Так образуется тонкий пограничный слой с нескомпенсированными объёмными зарядами, которые препятствует дальнейшему притоку к границе раздела свободных электронов из остальной части полупроводника n-типа и дырок из остальной части полупроводника р-типа. Поэтому пограничный слой мы называем запирающим p-n-переходом и, при отсутствии внешнего электрического поля, ток через этот переход не протекает.
Теперь приложим к диоду внешнее электрическое поле, превышающее работу выхода. При этом, подключим источник тока таким образом (см. рис. 6), чтобы через катод из внешней электрической цепи в n-область притекали дополнительные электроны («минус» источника тока соединим с катодом), а через анод, наоборот, из р-области происходил отток лишних электронов («плюс» соединим с анодом).
Рис.6. Схема включения p-n-перехода в прямом направлении.
В этом случае объёмная плотность энергии (давление) поля во всём объёме полупроводника n-типа превысит давление в приграничном слое, а в полупроводнике р-типа это давление, наоборот уменьшится. Следовательно, приграничный слой теперь не является препятствием электрическому току и энергия потечёт оттуда, где её объёмная плотность больше, туда, где эта плотность меньше (из зоны n-типа – в зону р-типа) и далее по замкнутой электрической цепи. Диод открыт.
Теперь подключим к нашему диоду источник тока в обратном направлении (см. рис. 7), то есть «плюсом» к катоду (n-область), а «минусом» – к аноду (p-область).
Рис. 7. Схема включения p-n-перехода в обратном направлении.
Мы видим, что в этом случае внешнее электрическое поле уводит основные носители заряда дальше от границы контакта. Отрицательные заряды в n-области устремились к положительному катоду, а положительные заряды в р-области – к отрицательному аноду. Ширина запирающего слоя увеличивается, его электрическое сопротивление возрастает. Энергия через p-n-переход не проходит. Диод заперт. Различные диоды могут выдерживать обратное напряжение практически от 20 вольт до нескольких киловольт.
Итак, мы выяснили, что диод может проводить электрический ток только в одном направлении – поток энергии возможен только от катода к аноду. Для этого необходимо преодолеть потенциальный барьер (измеряется в вольтах – В), соответствующий работе выхода (измеряется в электронвольтах – эВ). Для различных диодов значение потенциального барьера составляет примерно 0,7-1,4 В.
Дополнение: Изучение явлений, приводящих к формированию энергетического барьера, соответствующего работе выхода, показало, что кроме поляризационных сил в этом процессе участвуют и другие более сложные явления. Поэтому рассчитать работу выхода для конкретного материала невозможно. Зато её можно измерить.
И здесь нам вновь помогает эффект Столетова, ибо, как мы уже знаем, величину работы выхода можно определить по «красной границе» внешнего фотоэффекта.
Энергия кванта света (фотона), поглощённого свободным электроном, расходуется на работу выхода и на приобретение электроном кинетической энергии. Если уменьшать энергию фотонов (уменьшать частоту их колебаний и, соответственно, увеличивать длину волны), то и скорость вылетевших электронов будет уменьшаться. При некоторой критической энергии фотонов электроны вообще перестанут вылетать с поверхности исследуемого материала. Внешний фотоэффект исчезает, а измеренная при этом энергия фотонов равна работе выхода электронов.
Коллега, думаю, что ясное понимание эффекта Столетова позволяет нам выяснить физический смысл процессов, происходящих в полупроводниках, без которых не мыслим современный мир электроники.
Это так, мой друг, однако здесь надо помнить, что в эффекте Столетова мы имеем дело с диэлектриком, расположенным между металлическими электродами (катод и анод), а в данном случае между катодом и анодом находятся полупроводники, которые проявляют свойства металлов и неметаллов в тех или иных условиях. По значению удельного электрического сопротивления они занимают промежуточное положение между хорошими проводниками и диэлектриками (изоляторами).
Например, проводимость хорошего проводника, которым является серебро – Ag, больше проводимости хорошего изолятора, которым является стекло, примерно в 1022 раз! Более того, атомы углерода – С, в зависимости от того, какую кристаллическую решётку они образовали, являются либо хорошим проводником – графит, либо прекрасным изолятором – алмаз. Значит, проводимость здесь зависит не столько от свойств атомов, составляющих кристалл, сколько от того, какие отношения сложатся у каждого атома со своими соседями, то есть от типа связей, объединяющих атомы в кристаллическую решётку твёрдого тела.
Для полупроводников характерно кристаллическое строение с ковалентной связью между атомами, которая образуется за счёт общих валентных электронов (внешних электронных пар). Это значит, что внешние электроны уже не принадлежат только своему атому, а обращаются вокруг двух или нескольких атомов кристаллической решётки, объединяя их ковалентной связью.
Например, атомы германия – Ge связаны друг с другом валентными электронами. Эта связь происходит следующим образом (см. рис. 1). У германия 4 валентных электрона и вокруг каждой пары атомов движутся 2 валентных электрона – по одному от каждого атома. Атомы выстраиваются так, чтобы у каждого было столько соседних атомов, сколько валентных электронов он имеет. Таким образом, все валентные электроны у всех атомов получаются задействованными и каждый атом в этом случае связан с ближайшими соседями прочными электронными связями. Такую связь мы называем ковалентной.
Рис. 1. На рисунке показана развернутая в плоскость модель фрагмента кристаллической решётки германия, на которой демонстрируется ковалентная связь.
Аналогично выстраивается кристаллическая решётка и у кремния – Si (самый распространённый в природе полупроводник, составляющий примерно 30 % земной коры). Он, как и германий, находится в четвёртой группе элементов таблицы Менделеева. Следовательно, у него тоже 4 валентных электрона и каждый из них готов образовать общую электронную пару с валентным электроном соседнего атома (см. рис. 2). В результате атом кремния тоже окружён четырьмя атомами, каждый из которых вносит в ковалентную связь по одному валентному электрону. Соответственно, вокруг каждого атома выстраивается по 8 электронов (4 своих и 8 чужих), которые связывают эти атомы прочной ковалентной связью.
Рис. 2. Кристаллическая решётка кремния – Si.
Согласно волновой теории поля самыми прочными электронными оболочками в атомах являются полностью заполненные оболочки, в которых насчитывается 2, 8, 18, 32 электрона. Поэтому германий и кремний в чистом виде, имеющие в кристаллических решётках по 8 валентных электронов, являются хорошими изоляторами, ибо свободных электронов в них нет.
Коллега, тогда почему они называются полупроводниками?
Как мы уже выяснили, мой друг, электрическая проводимость чистого (беспримесного или, как принято говорить, собственного) полупроводника очень мала. Поэтому в большинстве случаев применяются полупроводники, обладающие так называемой примесной проводимостью. Чтобы превратить собственный (чистый) полупроводник в примесный, необходимо ввести в его кристаллическую решетку некоторое количество специально подобранной химической добавки, т.е. осуществить легирование полупроводника.
Существуют легирующие примеси двух видов: доноры и акцепторы.
Доноры (дающие, жертвующие свои электроны) – пятивалентные элементы (пятая группа элементов в таблице Менделеева), такие как фосфор – P, мышьяк – As, сурьма – Sb. При ковалентной связи атомов донора с основным полупроводником образуется один лишний электрон.
Акцепторы (принимающие, берущие внешние электроны) – трехвалентные элементы (третья группа элементов), такие как бор – B, алюминий – Al, индий – In, галлий – Ga. При ковалентной связи с акцептором в ней недостаёт одного электрона.
Коллега, теперь понятно, что мы имеем дело с двумя типами полупроводников. Одни имеют свободные электроны, а у других, наоборот – недостаток электронов в ковалентных связях. Это так?
Именно так, мой друг. На основании этого различают полупроводники n-типа и p-типа.
Для получения полупроводника n-типа в кристалл 4-х валентного кремния вводят примесь донора (например, пятивалентного мышьяка – As). При этом четыре валентных электрона мышьяка образуют связи с четырьмя соседними атомами кремния, а пятый электрон примеси не участвует в образовании ковалентных связей. Он легко может быть оторван от своего атома и стать свободным (см. рис. 3).
Рис. 3. Полупроводник n-типа.
При комнатной температуре практически все электроны примеси, не образующие ковалентных связей с атомами кремния, становятся свободными и участвуют в электрической проводимости.
Поэтому электропроводность полупроводника n-типа принято считать электронной, ибо в пределах такого полупроводника основными носителями электрического тока являются отрицательно заряженные электроны.
При этом следует помнить, что даже примесный полупроводник является электрически нейтральным, ибо общее количество положительно заряженных протонов в нём равно количеству отрицательно заряженных электронов, включая и свободные.
Если часть свободных электронов покинет полупроводник n-типа, то объёмная плотность энергии в нём уменьшится, что повлечёт приток электронов извне. Следовательно, сколько электронов из данного полупроводника уходит во внешнюю электрическую цепь, столько же их притекает из внешней цепи.
Для получения полупроводника p-типа в кристалл 4-х валентного кремния вводят примесь акцептора (например, трёхвалентного индия – In). При этом три валентных электрона примеси образуют ковалентные связи с тремя из четырех соседних атомов кремния, а одна из ковалентных связей полупроводника остаётся незавершенной – эта связь разорвана и её принято называть дыркой (см. рис. 4).
Рис. 4. Полупроводник p-типа.
Любой из электронов ковалентной связи может попасть на траекторию дырки и восстановить эту разорванную связь, но сама дырка переместится на место пришедшего электрона. Далее дырка может переместиться к следующему атому. То есть, подобно электрону проводимости, разорванная связь (дырка) может хаотически перемещаться между атомами кристаллической решётки полупроводника p-типа.
Рекомбинировать с дырками могут и электроны из внешней электрической цепи, но тогда объёмная плотность энергии в полупроводнике увеличивается и выталкивает лишние электроны во внешнюю цепь. То есть и в этом случае, сколько электронов в данный полупроводник притекло из внешней электрической цепи, столько же их и утекло во внешнюю цепь. В самом же полупроводнике мы наблюдаем только движение дырок. Поэтому электропроводность полупроводника p-типа принято считать дырочной, ибо в пределах такого полупроводника основными носителями электрического тока являются положительно заряженные дырки.
Дополнение: Здесь следует подчеркнуть, что реально перемещаются только электроны, ибо никакой реальной частицы «дырки» не существует. Её, в отличие от электрона, нельзя извлечь из кристалла и отдельно изучить её поведение. Поэтому дырку называют квазичастицей (от лат. quasi – нечто вроде, как будто, как бы).
Дырка есть просто отсутствие электрона на ковалентной траектории, связывающей атомы кристалла. Но гораздо удобнее следить не за перемещением электронов с одной связи на другую для рекомбинации с дырками, а за перемещением пустой связи – дырки внутри полупроводника.
Коллега, это понятно. Однако об эффекте Столетова ещё не сказано ни слова. Как он связан с процессами, протекающими в полупроводниках? Например, в диоде – самом простом из полупроводников.
Терпение, мой друг. До сих пор мы говорили отдельно о полупроводниках n-типа и p-типа. Теперь попробуем соединить их вместе, чтобы в зоне контакта получить электронно-дырочный переход (p-n-переход) между двумя p- и n-областями. Именно так изготавливаются диоды.
Справка: Диодом называется контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной n – электропроводностью (n-тип), другой с дырочной р – электропроводностью (p-тип).
Рис. 5. Структура диода и его условное обозначение. Здесь два электрода: катод (–) и анод (+).
Рассматривая эффект Столетова, мы договорились, что энергия свободного электрона характеризуется не только энергией отрыва от атома (энергия ионизации), а и работой выхода с поверхности конденсированной среды (жидкость или твердое тело). Именно барьер, связанный с работой выхода является причиной поляризация электрических зарядов на границе раздела двух сред. Следовательно, в тонком граничном слое n-области повышается концентрация отрицательных зарядов (см. рис. 5). Соответственно, и объёмная плотность энергии поля здесь заметно выше, чем в остальной части полупроводника n-типа. Поэтому приток отрицательных зарядов к граничному слою прекращается.
Аналогичный процесс происходит в тонком граничном слое р-области. Но здесь, наоборот, концентрация положительных зарядов (соответственно, и объёмная плотность энергии поля) заметно ниже, чем в остальной части полупроводника р-типа, и приток положительно заряженных дырок к граничному слою тоже прекращается.
Так образуется тонкий пограничный слой с нескомпенсированными объёмными зарядами, которые препятствует дальнейшему притоку к границе раздела свободных электронов из остальной части полупроводника n-типа и дырок из остальной части полупроводника р-типа. Поэтому пограничный слой мы называем запирающим p-n-переходом и, при отсутствии внешнего электрического поля, ток через этот переход не протекает.
Теперь приложим к диоду внешнее электрическое поле, превышающее работу выхода. При этом, подключим источник тока таким образом (см. рис. 6), чтобы через катод из внешней электрической цепи в n-область притекали дополнительные электроны («минус» источника тока соединим с катодом), а через анод, наоборот, из р-области происходил отток лишних электронов («плюс» соединим с анодом).
Рис.6. Схема включения p-n-перехода в прямом направлении.
В этом случае объёмная плотность энергии (давление) поля во всём объёме полупроводника n-типа превысит давление в приграничном слое, а в полупроводнике р-типа это давление, наоборот уменьшится. Следовательно, приграничный слой теперь не является препятствием электрическому току и энергия потечёт оттуда, где её объёмная плотность больше, туда, где эта плотность меньше (из зоны n-типа – в зону р-типа) и далее по замкнутой электрической цепи. Диод открыт.
Теперь подключим к нашему диоду источник тока в обратном направлении (см. рис. 7), то есть «плюсом» к катоду (n-область), а «минусом» – к аноду (p-область).
Рис. 7. Схема включения p-n-перехода в обратном направлении.
Мы видим, что в этом случае внешнее электрическое поле уводит основные носители заряда дальше от границы контакта. Отрицательные заряды в n-области устремились к положительному катоду, а положительные заряды в р-области – к отрицательному аноду. Ширина запирающего слоя увеличивается, его электрическое сопротивление возрастает. Энергия через p-n-переход не проходит. Диод заперт. Различные диоды могут выдерживать обратное напряжение практически от 20 вольт до нескольких киловольт.
Итак, мы выяснили, что диод может проводить электрический ток только в одном направлении – поток энергии возможен только от катода к аноду. Для этого необходимо преодолеть потенциальный барьер (измеряется в вольтах – В), соответствующий работе выхода (измеряется в электронвольтах – эВ). Для различных диодов значение потенциального барьера составляет примерно 0,7-1,4 В.
Дополнение: Изучение явлений, приводящих к формированию энергетического барьера, соответствующего работе выхода, показало, что кроме поляризационных сил в этом процессе участвуют и другие более сложные явления. Поэтому рассчитать работу выхода для конкретного материала невозможно. Зато её можно измерить.
И здесь нам вновь помогает эффект Столетова, ибо, как мы уже знаем, величину работы выхода можно определить по «красной границе» внешнего фотоэффекта.
Энергия кванта света (фотона), поглощённого свободным электроном, расходуется на работу выхода и на приобретение электроном кинетической энергии. Если уменьшать энергию фотонов (уменьшать частоту их колебаний и, соответственно, увеличивать длину волны), то и скорость вылетевших электронов будет уменьшаться. При некоторой критической энергии фотонов электроны вообще перестанут вылетать с поверхности исследуемого материала. Внешний фотоэффект исчезает, а измеренная при этом энергия фотонов равна работе выхода электронов.
