• Главная
  • rss-лента сайта solo-project.com

Дырочные полупроводники

Как нехватка электронов способствует увеличению электропроводимости полупроводника? Введем в кристалл германия некоторое количество атомов индия (In). Индий является трехвалентным элементом. На валентной оболочке атома индия размещаются только три электрона, а не четыре, как у германия. Атомы индия из многим свойствам подобны атомам германия и поэтому легко вытесняют последние из узлов кристаллической решетки (рис. 30). При этом заряд иона трехвалентного индия мы должны считать равным +3 единицам. Соответственно число «рук» этого иона на одну меньше, чем у иона германия. Поэтому на модели кристаллической решетки, в которую «вторглись» ионы индия, автоматически появляются незаполненные электронами связи, т. е. дырки. Обратите внимание на то, что при этом число свободных электронов в зоне проводимости не увеличивается.


Дырочные полупроводники, статьи для начинающих


На введенные в решетку атомами индия дырки легко перескакивают электроны с других связей решетки. Это значит, что введенные дырки могут перемещаться по кристаллу и образовывать электрический ток.


Дырочные полупроводники, статьи для начинающих


Для того чтобы представить себе, как перемещается дырка по кристаллу, можно вспомнить известную игру — головоломку. В квадратную коробку помещено 15 квадратных пронумерованных фишек. Пусть первоначально фишки заполняют коробку беспорядочно и свободным остается левый верхний угол коробки, как это показано на рисунке 31. Игра состоит в том, чтобы, не вынимая фишек из коробки, а, только передвигая их, расположить фишки в порядке следования номеров, так чтобы, в конце концов, свободным оказался правый нижний угол коробки. На рисунке 32 показано несколько промежуточных стадий этого процесса, не представляющих, конечно, оптимального решения задачи.


Дырочные полупроводники, статьи для начинающих


Вы видите, какой сложный путь по коробке проходит «дырка», т. е. свободное от фишки место, прежде чем фишки 1 и 2 встали на свои места. Мы говорим о перемещении свободного места — «дырки», тогда как на самом деле перемещаются пронумерованные фишки, который можно сопоставить с электронами. Конечно, в кристалле электроны не пронумерованы и какая-либо дырка, если только нет электрического ноля, движется беспорядочно. В этом отличие от приведенного нами примера, где в результате передвижения фишек мы стремимся восстановить определенный порядок следования цифр. Аналогия между движением фишек в нашей игре и электронов в полупроводнике была бы более полной, если бы фишки передвигала обезьяна, не знающая арифметики (рис. 33).


Дырочные полупроводники, статьи для начинающих


Примесь трехвалентного элемента в четырехвалентном полупроводнике называется акцепторной примесью, т. е. примесыо, «принимающей» электроны.

Полупроводник с акцепторной примесью называют дырочным или полупроводником с дырочной проводимостью, иначе — с проводимостью р-типа. Основными носителями заряда в таком полупроводнике являются положительные дырки. Буква «р» является начальной в английском слове positive — положительный. Точно так же, как и в беспримесном собственном полупроводнике, часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости, используя при этом энергию теплового движения. Эти свободные электроны в дырочном полупроводнике являются неосновными носителями заряда.


Дырочные полупроводники, статьи для начинающих


Как же отразить действие акцепторной примеси на зонной модели полупроводника? Вы видите на рисунке 34, как высоко нужно «подпрыгнуть» электрону, чтобы из валентной зоны попасть в зону проводимости. При комнатной температуре на это способны лишь немногие электроны. Они образуют неосновные отрицательные носители заряда в зоне проводимости дырочного полупроводника. Чтобы обеспечить возможность ухода из валентной зоны большего числа электронов, надо «невысоко» над этой зоной соорудить дополнительные ступеньки. Именно такие ступеньки, называемые акцепторными уровнями, и создаются атомами примеси — индием.


Дырочные полупроводники, статьи для начинающих


На акцепторные уровни легко перескакивают валентные электроны, освобождая вакантные места в валентной зоне, т. е. создавая в этой зоне дырки. Эти дырки — основные носители заряда дырочного полупроводника способны перемещаться внутри валентной зоны. Они образуют проводимость р-типа.

Итак, одни электроны перескакивают в зону проводимости, другие в это же время возвращаются в валентную зону. В среднем же число электронов в зоне проводимости и число электронов и, следовательно, дырок в валентной зоне остается неизменным, если, конечно, нет каких-либо внешних причин, могущих нарушить это равновесие. Такое равновесное состояние называется динамическим.

Таким образом, распределение Больцмана представляет не статическую расстановку электронов по их местам, а показывает, какое среднее число электронов в течение достаточно большого интервала времени находится на том или ином уровне. При этом совершенно несущественно, что одни электроны па этом уровне беспрестанно заменяются другими.


Дырочные полупроводники, статьи для начинающих


Для более четкого понимания смысла понятия «динамическое равновесие» представим себе ярмарку с множеством ларьков (рис. 36). Пусть на этой ярмарке находится большое число посетителей. Посмотрим, чем они заняты. Мы фиксируем, что 8 человек пьют газированную воду, 9 толпятся около палатки с мороженым, 10 рассматривают книги, разложенные на прилавке, и т. д. Некоторые посетители просто гуляют между палатками.

Названные нами цифры соответствуют некоторому динамическому равновесию. Не одни и те же люди непрерывно пьют воду. Одни уходят, другие подходят к автоматам по продаже воды, но в среднем там собирается 8—12 человек (~10 человек). Также разные люди едят мороженое, но в среднем у палатки толпится 10—12 человек (~ 11 человек).

Это динамическое равновесие может нарушить какая-либо внешняя причина. Ею может быть, например, уход продавщицы мороженого на обед. Ясно, что после этого у лотка «Мороженое» останутся лишь очень большие любители мороженого, которые терпеливо будут ждать возвращения продавщицы. В среднем их оказалось, скажем, 2 человека. Представьте себе, что одновременно на ярмарку пришла лотошница с необыкновенно вкусными пирожками. Вокруг нее немедленно соберется толпа. Это неизбежно приведет к тому, что среднее число людей, пьющих воду или покупающих книги, уменьшится. Что же произошло? Установилось новое динамическое равновесие вместо старого, нарушенного уходом одной продавщицы, и приходом другой.

Аналогичное динамическое равновесное распределение (но Больцману) свободных электронов (их числа в зоне проводимости) и дырок (их числа в валентной зоне) устанавливается в полупроводнике при данной температуре. Если увеличить температуру полупроводника, то динамическое равновесие нарушится, но вскоре установится новое равновесное состояние (снова по Больцману!), при котором среднее число свободных электронов возрастет. Увеличится, следовательно, и число дырок. Так как равновесие наступает быстро и отклонения от средних чисел малы, то мы можем пользоваться средними значениями, забывая о динамическом характере равновесия, как мы и делали до сих пор. Отклонения от равновесных значений, носящие случайный характер, как ужа упоминалось, называют флуктуациями.




Похожие записи

Что запрещено и что разрешено электронам в кристалле? Для ответа на поставленный вопрос нам придется познакомиться с несколько необычной на первый взгляд моделью вещества.

читать далее

Итак, мы познакомились с электрическими свойствами полупроводников и двумя простыми полупроводниковыми приборами — терморезистором и фоторезистором. Обратим теперь внимание читателя на одну важную деталь...

читать далее

Фотоны нарушают равновесие в полупроводнике. Чувствителен ли полупроводник к потоку фотонов? Пусть собственный полупроводник (примесей нет!) долгое время находится при комнатной температуре...

читать далее