Półprzewodniki
PÓŁPRZEWODNIKI
Do półprzewodników zaliczamy substancje krystaliczne, których konduktywność w temperaturze pokojowej wynosi 10-7:105 S/m. Ze względu na zdolność przewodzenia półprzewodniki zajmują pośrednie miejsce między przewodnikami a dielektrykami. Półprzewodniki wykazują jednak specyficzne właściwości, które są odmienne od właściwości metali. W elektronice są stosowane półprzewodniki o regularnej budowie krystalicznej, charakterystycznej dla pierwiastków IV grupy okresowej tablicy Mendelejewa, takie jak: krzem, german, oraz związki pierwiastków III i V grupy oraz II i VI grupy, jak np.: arsenek galu, antymonek indu itp. Zrozumienie zjawiska przewodzenia prądu w półprzewodnikach jest niemożliwe bez zanalizowania jakościowego obrazu procesów zachodzących w kryształach półprzewodników.
Elektrony w atomie zajmują pewne dozwolone orbity, którym zgodnie z teorią mechaniki kwantowej odpowiadają określone poziomy energetyczne. W obrębie układu nie może być dwóch elektronów o dokładnie takich samych poziomach energetycznych. Zajmując określoną orbitę, elektron ma pewien określony stan energetyczny. Przejście elektronu z jednej dozwolonej orbity na drugą wiąże się ze skokową zmianą jego energii (poziomy energetyczne są nieciągłe, tzw. dyskretne). Możliwość zmiany energii elektronu w wyniku przejścia z jednej orbity na drugą nie oznacza, że elektron wchodzący w skład struktury atomowej pierwiastka, może zająć dowolny poziom energetyczny.
Skokowa zmiana energii elektronu wskazuje na to, że poziomy dozwolone są przedzielone poziomami zabronionymi. W atomie najwyższym z obsadzonych poziomów energetycznych jest poziom elektronów walencyjnych.
uproszczony model poziomów energetycznych atomu
Gdy przechodzimy od atomu pojedynczego do kryształu, utworzonego z dużej liczby jednakowych atomów, na elektrony znajdujące się na orbitach zewnętrznych zaczynają działać siły nie tylko jądra macierzystego, ale również siły jąder atomów sąsiednich. Zajmiemy się obecnie tylko elektronami walencyjnymi. Elektrony walencyjne atomów położonych blisko siebie mogą zajmować określone stany położone nie na jednym poziomie energetycznym, ale stany z całego tzw. pasma energetycznego z zachowaniem zasady Pauliego.
W próbce kryształu pasmo zawiera wiele blisko siebie położonych poziomów energetycznych:
położenie elementów walencyjnych w paśmie walencyjnym
Na rys. oznaczono elektrony walencyjne biorące udział w wiązaniu, znajdujące się w paśmie walencyjnym. Do tego, aby elektron z pasma walencyjnego „przeskoczył” do przestrzeni międzywęzłowej, jest niezbędne dostarczenie mu pewnej energii, którą oznaczamy przez ∆W. W przestrzeni międzywęzłowej elektron może zajmować stany w tzw. paśmie przewodnictwa.
uproszczony model pasmowy półprzewodnika
Na rys. przedstawiono uproszczony model pasmowy półprzewodnika. W procesie przewodzenia prądu w półprzewodnikach istotną rolę odgrywają zatem trzy wymienione pasma energetyczne:
1). przewodnictwa
2). zabronione
3). walencyjne
W temperaturze zera bezwzględnego w półprzewodnikach wszystkie poziomy energetyczne w paśmie walencyjnym są obsadzone elektronami walencyjnymi, uczestniczącymi w procesie wiązań chemicznych. Natomiast w paśmie przewodnictwa brak jest elektronów. Konduktywność półprzewodnika jest więc w tej temperaturze równa zeru, gdyż w paśmie przewodnictwa brak jest elektronów, a w paśmie walencyjnym wprawdzie są elektrony, ale obsadzają wszystkie wolne miejsca. Ruch elektronów jest niemożliwy.
Szerokość pasma zabronionego określa się ilością energii (w elektronowoltach), jaką elektron musi uzyskać do „przeskoczenia” tego pasma i przejścia z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Dla półprzewodników energia ta w temperaturze normalnej wynosi ok. 0,5 :3eV.
W temperaturze normalnej (pokojowej) pasmo przewodnictwa jest wypełnione przez elektrony swobodne, których ukierunkowany ruch jest możliwy pod wpływem działania pola elektrycznego. Czysty german Ge ma w tej temperaturze pasmo zabronione o szerokości 0,67 eV, a czysty krzem Si – 1,12 eV.
Czyste półprzewodniki o budowie idealnej nazywamy półprzewodnikami samoistnymi.
Każdy atom przez swoje elektrony walencyjne wiąże cztery sąsiednie atomy, tworząc strukturę bardzo trwałą i elektrycznie obojętną. Uwolnienie elektronów z wiązań wymaga dostarczenia energii równej co najmniej szerokości pasma zabronionego. Jednym z rodzajów energii jest energia cieplna. W miarę wzrostu temperatury kryształu, zwiększa się energia elektronów i coraz więcej elektronów uzyskuje energię odpowiadającą energii pasma przewodnictwa.
Po przejściu elektronów do pasma przewodnictwa, w paśmie walencyjnym powstają wolne stany energetyczne, gdyż uwolniony z wiązań elektron pozostawia puste miejsce w wiązaniu.
powstawanie dziur w paśmie walencyjnym
Puste miejsca powstające w poszczególnych stanach energetycznych mogą być zajmowane przez sąsiednie elektrony z pasma walencyjnego. Pewna liczba elektronów znajdujących się w paśmie walencyjnym może się więc przemieszczać poprzez puste miejsca w tym paśmie, tworząc prąd elektryczny. Przemieszczające się, jak gdyby, puste miejsca przyjęto nazywać dziurami. W półprzewodnikach prąd elektryczny jest wywołany ruchem elektronów swobodnych i dziur, przy czym zdolność wytwarzania prądu elektrycznego jest zależna od koncentracji elektronów swobodnych i dziur oraz ich ukierunkowanego przemieszczenia się pod wpływem pola elektrycznego.
rodzaje przewodnictwa w półprzewodnikach
Koncentracja elektronów swobodnych, rozumiana jako liczba elektronów przypadająca na jednostkę objętości, jest w półprzewodniku tysiące, a nawet miliony razy mniejsza niż w metalu.
Tym można m.in. tłumaczyć różnice w wartości konduktywności półprzewodnika i metalu.
Jednakże porównanie półprzewodnika i metalu wskazuje też na występowanie znacznej różnicy, jeżeli chodzi o wpływ temperatury na konduktywność. Jak już wiemy, w miarę wzrostu temperatury zwiększa się rezystancja przewodników, a więc zmniejsza się ich konduktywność. Jest to wywołane zmniejszeniem się łatwości poruszania się elektronów w sieci krystalicznej w miarę wzrostu temperatury.
W półprzewodnikach w miarę wzrostu temperatury (w pewnych przedziałach) ich konduktywność zwiększa się, gdyż zwiększa się koncentracja elektronów swobodnych. W przewodnikach ilość nośników nie zależy w zasadzie od temperatury.
Po doprowadzeniu pola elektrycznego do półprzewodnika samoistnego elektrony swobodne znajdujące się w paśmie przewodnictwa tworzą prąd elektronowy. Ruch elektronów walencyjnych w paśmie walencyjnym, polegający na wypełnieniu dziur, możemy traktować jako ruch ładunków dodatnich; zwiemy go prądem dziurawym.
Przewodnictwo elektryczne półprzewodników samoistnych charakteryzuje się :
- w temperaturze normalnej (pokojowej) zachodzi ono w wyniku ruchu dziur i elektronów;
- istnieje taka sama liczba dziur jak elektronów, gdyż uwolnieniu z wiązań jednego elektronu towarzyszy powstanie jednej dziury;
- prąd całkowity przewodzenia jest sumą prądu dziur i prądu elektronów.
W praktyce oprócz omówionych półprzewodników samoistnych są stosowane tzw. półprzewodniki niesamoistne. Półprzewodniki niesamoistne, produkowane najczęściej na bazie germanu i krzemu, powstają w wyniku wprowadzenia do ich sieci krystalicznej, atomów pierwiastków 3- lub 5- wartościowych. Wprowadzenie tych domieszek zwiększa przewodnictwo albo elektronowe, albo dziurawe. Jest to wywołane tym, że wiązanie w sieci krystalicznej atomów krzemu lub germanu, wymaga 4 elektronów walencyjnych, a atom pierwiastka z V grupy ma 5 elektronów walencyjnych. Elektron nie biorący udziału w wiązaniu, po otrzymaniu stosunkowo niewielkiej energii przechodzi do pasma przewodnictwa.
uproszczony model pasmowy półprzewodnika niesymetrycznego typu N
W wyniku wprowadzenia do czystego chemicznie germanu lub krzemu domieszki pierwiastków 5-wartościowych, np. arsenu lub antymonu, uzyskuje się więcej elektronów w paśmie przewodnictwa niż dziur w paśmie walencyjnym. Otrzymany w ten sposób półprzewodnik nosi nazwę półprzewodnika typu N (ang.NEGATIVE). W półprzewodniku takim elektrony są głównym nośnikiem ładunku elektrycznego, decydującym o elektronowym charakterze przewodnictwa elektrycznego. Domieszka stosowana w półprzewodnikach typu N jest nazywana domieszką donorową.
W wyniku wprowadzenia do czystego germanu lub krzemu domieszki pierwiastków 3-wartościowych, np. boru, indu lub glinu, uzyskuje się w paśmie walencyjnym nadmiar dziur.
uproszczony model pasmowy półprzewodnika niesymetrycznego typu P
Otrzymany w ten sposób półprzewodnik nosi nazwę półprzewodnika typu P (ang.POSITIVE). W półprzewodniku takim dziury są głównym nośnikiem ładunku elektrycznego, decydującym o dziurawym charakterze przewodnictwa elektrycznego. Domieszka stosowana w półprzewodniku typu P jest nazywana domieszką akceptorową.
Te nośniki ładunku, które decydują o rodzaju przewodnictwa półprzewodników niesamoistnego nazywamy nośnikami większościowymi.
Przedstawione rozważania o przepływie prądu elektrycznego przez półprzewodnik dotyczą prądu płynącego w obecności pola elektrycznego. W półprzewodnikach, w pewnych warunkach, jest możliwy przepływ prądu dyfuzyjnego, wywołanego ruchem elektronów lub dziur pod wpływem chaotycznych drgań sieci krystalicznej.