А. Собственная и примесная проводимость

Германий (Ge) входит в 4 группу периодической системы элементов Менделеева, т.е. на внешних орбитах атомов находятся 4 валентных электрона. Атомы германия располагаются в строго оп­ределенном порядке, образуя кристаллическую решетку, в которой валентные электроны одного атома вступают в ковалентные (парно-электронные) связи с электронами соседних атомов.

Такое строение кристалла можно изобразить в виде плоскостно­го чертежа (рис. 2.2) с кружочками, обознача­ющими атомные остатки с зарядом (+4),и линиями, обозначающими электроны, участвующие в создании ковалентных связей. Таким об­разом, такая пара электронов связана со своей парой атомов и не может свободно перемещаться в объеме ПП.

Поскольку все валентные электроны участвуют в создании ковалентных связей, и свободных электронов нет, проводимость равна 0 (при температуре абсолютного нуля t = -273°С). Для создания проводимости ПП необходимо внести дефект в кристаллическую ре­шетку. Это можно осуществить двумя путями:

- подводом энергии извне (тепловой, лучистой, электрической и т.д.);

- внесением примеси;

При подводе энергии извне (например, тепловой) возникает тепловое возбуждение электронов, при котором рвется ковалентная связь и электрон становится носителем отрицательного заряда. Электрон, освобождаясь, образует в кристаллической решетке разорванную связь, обладающую единичным положительным электрическим зарядом - дырку.

Освободившееся место может быть заполнено электроном сосед­него атома, где образуется новая дырка. Её можно заполнить элек­трон следующего атома и т.д. Последовательное заполнение свобод­ной (разорванной) связи эквивалентно движению дырки. При отсутствии внешнего поля электроны и дырки хаотически перемещаются по кристаллу с целью выравнивания их концентрации. Это процесс называется диффузией.

Если к кристаллу, имеющему свободные электроны и дырки, приложить электрическое поле, то возникнет направленное движе­ние зарядов - дрейф (дырки движутся по силовым линиям, электроны - против).

Проводимость, созданная в ПП в результате разрыва ковалентных связей, называется собственной проводимостью. Собственная проводимость возрастает с повышением температуры. Проводимость ПП существенно зависит не только от температуры, но и от различ­ного рода примесей.

При введении в ПП, например, германий (Ge) пятивалентных элементов (фосфор, сурьма, мышьяк) атомы примесей вступают в ковалентные связи с соседними атомами германия. При этом четыре валентных электрона примеси создают ковалентные связи, а пятый электрон, не вступивший в ковалентную связь, связан со своим ядром гораздо слабее. Поэтому достаточно подвода небольшой энергии (температуры, отличающейся от абсолютного нуля) этот электрон может покинуть атом примеси и стать свободным. При этом возникновение свободных электронов не связано с появлением дырок (рис. 2.3).

В результате каждый атом примеси может дать один электрон, при этом сам атом превращается в положительный ион (+1). Примесь, создающая избыток электронов, называется донорной (латинск. donator - даритель), а германий-легированной донорной примесью n германием (n Ge). Для него основными носителями зарядов (ОНЗ) являются электроны, а не основными (ННЗ) - дырки (ННЗ по­являющиеся за счет разрыва ковалентных связей).

При введении в германий 3-х валентных элементов (индий, бор, галлий) в атоме примеси при создании ковалентных связей не хватает одного электрона для создания 4-ой ковалентной связи. При температуре выше абсолютного нуля один из валентных элек­тронов германия заполнит недостающую связь, образовав дырку.

Таким образом, атом примеси поставляет в кристалл одну дырку, а сам становится отрицательным ионом (-1). Примесь, со­здающая избыток дырок в кристалле, называется акцепторной (латинск. acceptor - получатель, захватывающий), а германий, легированный ею, называется р германием (р Ge). Для него ОНЗ являются дырки, ННЗ - электроны.

Проводимость, созданная в кристалле проводника внесением примесей, называется примесной проводимостью.

Для донорной примеси ОНЗ являются электроны (электронная проводимость), для акцепторной примеси ОНЗ являются дырки (дырочная проводимость).

Таким образом, изменяя природу примесей и их концентрацию, можно в широких пределах изменять электрические свойства полу­проводников. Применяя различного рода примеси, можно в одном и том же кристалле создать области с различными типами проводимос­ти.