К полупроводникам относят вещества, удельное сопротивление которых занимает промежуточное положение между удельным сопротивление проводников, хорошо проводящих электрический ток, и диэлектриков, практически не проводящих ток. Это обширный класс материалов с удельным сопротивлением 108 – 10-6 Ом м.
Наибольшее применение в радиоэлектронике нашли кремний Si и германий Ge. Рассмотрим основные процессы в полупроводниках на основе идеализированной модели их кристаллической решетки. Кремний и германий являются элементами IY группы таблицы Менделеева и каждый из четырех валентных электронов их атомов образует связанную пару с такими же валентными электронами четырех ближайших соседей. Это так называемая ковалентная связь. Проводимость чистых полупроводников называют собственной проводимостью. Собственная проводимость невелика при комнатной температуре. В результате тепловых колебаний атомов решетки может произойти отрыв электрона от какого-то атома и электрон становится свободным. Однако в этом месте кристаллической решетки появляется незаполненное состояние, обладающее положительным зарядом, равным заряду электрона. Это вакантное состояние называется дыркой. Говорят, что разрыв одной валентной связи эквивалентен рождению пары электрон – дырка. Иногда этот процесс называют генерацией носителей заряда, или термогенерацией, если источником энергии является тепловая энергия атомов.
При генерации пары валентный электрон соседнего атома, притягиваясь к дырке, может перескочить в нее, или, как говорят, рекомбинировать. При этом на прежнем месте перескочившего электрона образуется новая дырка, которая затем может аналогично перемещаться по кристаллу. Последовательное заполнение разорванной связи электронами эквивалентно движению дырки в противоположном направлении, что эквивалентно движению некоторой частицы, имеющей положительный заряд.
Таким образом, дырку можно рассматривать как некоторую фиктивную положительную частицу – квазичастицу, движение которой по кристаллу может описываться математически аналогично движению электрона, что удобно с методической точки зрения. Поэтому говорят, что в полупроводниках существует два типа собственной проводимости: электронная и дырочная.
Электронная проводимость осуществляется путем направленного движения в межатомном пространстве свободных электронов под действием внешних полей. Дырочная – путем направленного движения фиктивных положительных частиц – дырок. Очевидно в чистом полупроводнике концентрации свободных электронов и дырок равны.
Примесная проводимость обусловлена внесением (легированием) в кристаллическую решетку чистого полупроводника атомов элементов, имеющих другую валентность. Различают донорные и акцепторные примеси. Валентность донорной примеси должна быть больше валентности атомов основного полупроводника, а валентность акцепторной примеси – меньше.
Типичным примером донорной примеси в четырехвалентном германии являются пятивалентные атомы мышьяка As. Четыре валентных электрона атома As связаны попарно сильными ковалентными связями с электронами четырех соседних атомов германия, а пятый электрон, не участвующий в межатомных связях, слабее связан с атомом примеси.
При внесении полупроводника с донорной примесью в электрическое поле, этот электрон легко отрывается от атома и становится свободным, что увеличивает проводимость материала. Очевидно, что с увеличением концентрации примеси проводимость растет. Полупроводник с донорной примесью называют n-полупроводником, так как он обладает преимущественно электронной проводимостью. Теперь концентрация свободных электронов больше концентрации дырок, поэтому электроны в полупроводнике n-типа – основные носители, а дырки – неосновные носители заряда.
Примером акцепторной примеси в Ge являются трехвалентные атомы галлия Ga. Для образования парных ковалентных связей с четырьмя ближайшими атомами германия у атома галлия не хватает одного электрона. Это приводит к тому, что атом галлия отбирает электрон у соседнего атома германия, в результате чего на последнем возникает дырка. На место образовавшейся дырки может переместиться электрон с соседнего атома германия и т. д В этом случае электроны в кристалле движутся несвободно, а дырки ведут себя как свободные, хаотически движущиеся положительные частицы.
При внесении полупроводника с акцепторной примесью в электрическое поле возникает направленное движение свободных дырок по полю и проводимость примесного полупроводника увеличивается по сравнению с чистым материалом. Полупроводник с акцепторной примесью называют p-полупроводником, так как он обладает преимущественно дырочной проводимостью. Дырки в полупроводнике p-типа – основные носители, а электроны – неосновные носители заряда.
