Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Головко

§ 12. Електропровідність напівпровідників. Напівпровідники як елементна база сучасної мікроелектроніки

Опрацювавши цей параграф, ви зможете пояснювати природу електричного струму в напівпровідниках та його особливості, властивості електронно-діркового переходу, оцінювати перспективи використання напівпровідників у техніці та технологіях як основи сучасної мікроелектроніки.

ПРИРОДА ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ В НАПІВПРОВІДНИКАХ. ВЛАСНА ЕЛЕКТРОПРОВІДНІСТЬ. Основою елементної бази сучасної радіоелектроніки є речовини, електрична провідність яких має проміжне значення між провідниками та діелектриками. Їх називають напівпровідниками.

Напівпровідниками називають речовини, електрична провідність яких менша, ніж у провідників електричного струму, та більша, ніж у діелектриків.

Типовими напівпровідниками є германій та кремній, які утворені, відповідно, елементами четвертої групи Германієм (Ge) та Силіцієм (Si). Атоми цих елементів розташовані в строгому порядку. Кожен з них зв'язаний із чотирма сусідніми двохелектронними або ковалентними зв'язками (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Взаємозв'язки атомів у кристалі кремнію

Сусідні атоми розташовані настільки близько один від одного, що їх валентні електрони утворюють спільні орбіти, які проходять навколо всіх сусідніх атомів, зв'язуючи їх в єдину речовину.

За температури, близької до абсолютного нуля, напівпровідник має властивості абсолютного діелектрика, оскільки в нього немає вільних електронів. З підвищенням температури зв'язок валентних електронів з атомними ядрами слабшає і деякі з них унаслідок теплового руху можуть залишати свої атоми. Атом напівпровідника, що втратив хоча б один електрон, стає позитивним йоном.

Електрон, що залишає міжатомний зв'язок, стає вільним, а там, де він був, утворюється вакантне місце (вакантний енергетичний рівень), яке називають діркою (рис. 12.2).

Рис. 12.2. Утворення вільних електронів та дірок

Утворення в напівпровіднику дірки пов'язане з виходом з оболонки атома валентного електрона. Виникнення дірки відповідає появі позитивного електричного заряду, що дорівнює за модулем заряду електрона. Чим вища температура напівпровідника, тим більше в нього з'являється вільних електронів і дірок. За температури, вищої від абсолютного нуля, у напівпровіднику безперервно виникають вільні електрони і дірки. Вільні електрони можуть займати вакантні місця — відбувається рекомбінація. Дірки можуть заміщуватися і сусідніми валентними електронами. При цьому дірка «рухається» — вона з'являється в іншому місці.

Електропровідність напівпровідників зумовлена наявністю в них негативно заряджених вільних електронами та позитивно заряджених дірок.

Електрони та дірки за відсутності зовнішнього електричного поля рухаються хаотично в різні боки і не виходять за межі напівпровідника. Саме вони зумовлюють власну електропровідність напівпровідника.

У чистому напівпровіднику кількість електронів, що вивільняються в кожен момент часу, дорівнює кількості дірок, що утворюються при цьому. Загальна їх кількість за кімнатної температури відносно невелика. Саме тому власна електропровідність такого напівпровідника невелика і він чинить значний опір електричному струму.

Якщо до напівпровідника прикласти електричне поле, то електрони поблизу позитивного полюса джерела притягуються до нього та вивільняються, залишаючи після себе дірки (рис. 12.3, а).

Електрони, що розірвали міжатомні зв'язки на деякій відстані від позитивного полюса, теж притягуються до нього і рухаються в його бік. Зустрічаючи на своєму шляху вакантні місця, вони можуть займати їх. Здійснюється заповнення деяких міжатомних зв'язків (рис. 12.3, б, в). Ближчі до негативного полюса джерела дірки заповнюються іншими електронами, що вирвалися з атомів, розташованих ще ближче до негативного полюса (рис. 12.3, г). Поки в напівпровіднику діє електричне поле, цей процес триває: порушуються одні міжатомні зв'язки (з них вириваються валентні електрони та утворюються дірки) і заповнюються інші (дірки заповнюються електронами, що звільнилися від інших міжатомних зв'язків).

Рис. 12.3. Рух носіїв заряду в напівпровіднику під дією електричного поля

ДОМІШКОВА ЕЛЕКТРОПРОВІДНІСТЬ НАПІВПРОВІДНИКІВ. Якщо в чистий напівпровідник додати навіть невелику кількість домішки у вигляді атомів інших елементів, електропровідність його різко підвищиться. Залежно від структури атомів домішкових елементів, електропровідність напівпровідника буде електронною або дірковою.

Якщо до чотирьохвалентного напівпровідника (наприклад, кремнію) додати атоми миш'яку, що має в зовнішньому шарі електронної оболонки п'ять валентних електронів, цей атом чотирма електронами зв'язується з чотирма сусідніми атомами основного напівпровідника. П'ятий валентний електрон атома миш'яку залишається незв'язаним і стає вільним (рис. 12.4).

Рис. 12.4. Донорна провідність напівпрвідників

Чим більше в напівпровідник буде введено атомів домішки з більшою валентністю, тим більше в його масі опиниться вільних електронів. Такий напівпровідник з домішкою за властивостями провідності наближається до металу: для того, щоб через нього проходив електричний струм, у ньому не обов'язково повинні руйнуватися міжатомні зв'язки. Домішки такого типу називають донорними (атоми донорної домішки віддають електрони). Напівпровідники, що мають такі властивості, називають напівпровідниками з електропровідністю n-типу, або напівпровідниками n-типу (від negativ — негативний).

Основними носіями заряду в напівпровіднику n-типу є вільні електрони.

Якщо до чотирьохвалентного напівпровідника ввести атоми трьохвалентного елемента (наприклад, до кремнієвого напівпровідника додати атоми індію), кожен атом індію своїми трьома електронами зв'язується тільки з трьома сусідніми атомами кремнію (рис. 12.5).

Рис. 12.5. Акцепторна провідність напівпровідників

Для заповнення зв'язку з четвертим атомом у нього не вистачає одного електрона. Один зв'язок залишається незаповненим — утворюється дірка. Вона може заповнитися електроном, що вивільнився з валентного зв'язку інших атомів напівпровідника, але в масі напівпровідника з такою домішкою не вистачатиме електронів для заповнення всіх дірок. Чим більше до напівпровідника ввести атомів домішки з меншою валентністю, тим більше в ньому утворюється дірок.

Домішки, атоми яких приймають електрони від сусідніх атомів основного напівпровідника і утворюють надлишок дірок у напівпровіднику, називаються акцепторними домішками. Напівпровідники, що мають таку властивість, називають напівпровідниками з дірковою електропровідністю, або напівпровідниками р-типу (від positiv — позитивний).

Основними носіями заряду у провідниках p-типу є дірки.

Отже, у напівпровіднику з акцепторною домішкою проходження електричного струму супроводжується безперервним виникненням і заповненням вакантних місць, тобто рухом дірок. Напівпровідники типу р, так само як і напівпровідники типу n, мають у багато разів вищу електропровідність порівняно з чистими напівпровідниками.

Зверніть увагу! Рух дірки можна змоделювати в класі. Уявіть, що учень за першою партою моделює електрон напівпровідника, який залишає валентний зв'язок (своє місце за партою) та стає вільним електроном. Його місце за партою (вакантне місце) може зайняти товариш із задньої парти, а місце товариша — учень, що сидить за ним. Так вакантне місце «переміститься» з першої парти на останню. При цьому стілець не переміщується, хоч вакантне місце змінює своє розташування, що подібно до руху дірок.

Оскільки у валентному зв'язку між атомами напівпровідника, де виникло вакантне місце, не вистачає електрона, то дірку ототожнюють із позитивним зарядом.

Особливостями електропровідності напівпровідників є те, що вона: зумовлена рухом вільних електронів і дірок; збільшується з підвищенням температури, під дією світла та зі зростанням напруженості електричного поля; залежить від домішок.

ЕЛЕКТРОННО-ДІРКОВИЙ ПЕРЕХІД ТА ЙОГО ВЛАСТИВОСТІ. Практичне застосування в радіоелектроніці мають напівпровідники, утворені контактом двох областей із різними типами провідності (рис. 12.6).

Рис. 12.6. Електронно-дірковий перехід

Перехід між двома областями напівпровідника з різними типами електропровідності називається електронно-дірковим або n-p- (р-n)- переходом.

Електронно-дірковий перехід утворюється в момент сплавляння двох областей із різними типами провідності. У р- і n-областях виникає дифузний струм основних носіїв заряду: дірок з р-області в n-область і електронів у зворотному напрямку. Дифундуючи, електрони і дірки залишають за собою відповідно позитивно і негативно заряджені йони домішок (ці йони жорстко закріплені в кристалічній ґратці й переміщуватися не можуть).

Дифундуючи в n-область, дірки рекомбінують з електронами, різко зменшуючи концентрацію електронів і додатково утворюючи позитивні йони, що не компенсуються. Аналогічно в р-області дифундуючі електрони рекомбінують з дірками, різко зменшуючи концентрацію основних носіїв заряду і додатково утворюючи негативні йони, що не компенсуються. У такий спосіб поблизу межі р- і n-областей концентрація основних носіїв заряду різко зменшується, а неосновних зростає. На межі переходу утворюються протилежно заряджені області, що викликає появу в переході електричного поля. Це поле напрямлене так, що перешкоджає подальшій дифузії.

Цьому електричному полю, відповідає контактна різниця потенціалів (запірна напруга) Uз. Для германієвого переходу Uз = 0,2-0,3 В, для кремнієвого Uз = 0,6-0,8 В.

Якщо контакти p-n-переходу під'єднати до джерела постійного струму так, щоб його позитивний полюс був приєднаний до р-, а негативний до n-області (рис. 12.7.), то через перехід протікатиме електричний струм: основні носії заряду кожної з областей будуть рухатися до протилежних полюсів (дірки до негативного полюса джерела, а електрони до позитивного). При цьому зовнішнє електричне поле, що створюється джерелом струму, напрямлене протилежно електричному полю переходу та компенсує його.

Рис. 12.7. Пряме включення електронно-діркового переходу

Таке включення p-n-переходу називають прямим. Відповідно, напруга, за якої струм через p-n-перехід швидко збільшується, називається прямою напругою, а струм — прямим струмом).

Якщо змінити включення p-n-переходу на протилежне (негативний полюс до р-області, а позитивний до n-області), напруженість зовнішнього електричного поля, що створюється джерелом, збігається за напрямком з напруженістю внутрішнього поля в p-n-переході (рис. 12.8). Напруженість результуючого поля в переході збільшується, дифузія основних носіїв заряду зменшується, а з подальшим збільшенням прикладеної напруги повністю припиняється. Перехід закривається. Через нього буде проходити лише незначний електричний струм, зумовлений рухом неосновних носіїв заряду, — дрейфовий струм.

Рис. 12.8. Зворотне включення електронно-діркового переходу

Оскільки опір переходу великий, а концентрація неосновних носіїв у напівпровіднику мала, дрейфовий струм за інших рівних умов набагато менший від прямого.

Таке включення p-n-переходу називають зворотним. Відповідно, подана напруга називається зворотною напругою, а невеликий струм, що виникає при цьому, — зворотним струмом.

Залежність струму в електронно-дірковому переході від прикладеної до нього напруги графічно зображають за допомогою вольт-амперної характеристики (рис. 12.9). На вольт-амперній характеристиці p-n-переходу Uпрям, Іпрям — пряма напруга та прямий струм, Uзв, Ізв — зворотна напруга та зворотний струм.

Рис. 12.9. Вольт-амперна характеристика електронно-діркового переходу

Отже, важливою особливістю електронно-діркового переходу є властивість пропускати електричний струм в одному напрямі.

Властивість однобічної провідності електронно-діркового переходу — це здатність пропускати струм в одному напрямі.

Властивість однобічної провідності електронно-діркового переходу перебуває в основі принципу дії напівпровідникового діода, який використовують для випрямлення змінного електричного струму.

НАПІВПРОВІДНИКОВА БАЗА СУЧАСНОЇ МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ. Напівпровідникові прилади широко застосовуються в сучасній радіоелектроніці та мікропроцесорній техніці.

Створення сучасних комп'ютерів та різноманітних ґаджетів стало можливим завдяки винайденню напівпровідникового транзистора — напівпровідникового елемента з двома електронно-дірковими переходами та трьома електродами, один з яких використовується для управління струмом між двома іншими.

Виводи транзистора називаються емітером, базою і колектором. Дві крайні області мають електропровідність одного типу, середня — іншого. У кожної області свій контактний вивід. Якщо крайні області з дірковою електропровідністю, а середня з електронною (рис. 12.10, а), то такий прилад називають транзистором p-n-р-типу. В n-p-n-транзисторах, навпаки, крайні ділянки з електронною електропровідністю, а між ними — область з дірковою електропровідністю (рис. 12.10, б).

Рис. 12.10. Схема будови та умовні позначення транзисторів: а) p-n-p-типу; б) n-p-n-типу

Транзистор винайшли в 1947 р. Джон Бардін і Волтер Браттейн під керівництвом Шоклі з Bell Labs (Bell Labs — американська корпорація, великий дослідницький центр у галузі телекомунікацій, електронних та комп'ютерних систем, заснована в 1925 р.), за що отримали Нобелівську премію з фізики. Винахід транзистора став ключовим у розвитку обчислювальної техніки (зокрема комп'ютерів). Завдяки напівпровідниковим діодам та транзисторам вдалось досягти підвищення надійності в роботі обчислювальної техніки і — що найголовніше — зменшення габаритів і маси приладів.

Поява інтегральних схем, або кремнієвих чипів, у 70-ті роки ХХ ст. ознаменувала ще один великий етап у розвитку обчислювальної техніки, оскільки інтегральна схема здатна замінити тисячі транзисторів (рис. 12.11).

Рис. 12.11. Інтегральна мікросхема

Інтегральна мікросхема — мініатюрний мікроелектронний виріб, елементи якого нерозривно зв'язані конструктивно, технологічно та електрично.

Інтегральна мікросхема виконує певні функції перетворення і має високу щільність пакування електрично з'єднаних між собою елементів і компонентів, які є одним цілим з точки зору її використання як елемента мікроелектроніки.

Розрізняють напівпровідникові, плівкові, гібридні інтегральні схеми, які за видом оброблювальної інформації поділяються на цифрові та аналогові, а за складністю і якістю оцінки — на малі, середні, великі та надвеликі. Надвелика інтегральна схема (НВІС) — інтегральна мікросхема зі ступенем інтеграції понад 1000 елементів у кристалі. Одна така схема містить десятки тисяч транзисторів, які розміщуються на кристалі кремнію, меншому за людський ніготь.

! Головне в цьому параграфі

Носіями електричного заряду в напівпровідниках є електрони й дірки. Провідність чистих (без домішок) напівпровідників називають власною.

Провідність напівпровідників, зумовлену наявністю домішок, називають домішковою. Домішки бувають двох типів: донорні й акцепторні.

Перехід між двома областями напівпровідника з різними типами електропровідності називається електронно-дірковим або n-р-переходом. Його основною властивістю є однобічна провідність.

? Знаю, розумію, вмію пояснити

1. Як виникають електронна та діркова провідність напівпровідників? 2. Що називають власною провідністю напівпровідників? 3. Чому зменшується питомий опір напівпровідників із підвищенням температури? 4. Яку валентність повинна мати домішка, що додається до германієвого напівпровідника, щоб він мав: а) електронну провідність; б) діркову провідність? 5. Чому незначна кількість домішок п'яти- або трьохвалентної речовини до кремнію різко збільшує його провідність? 6. Назвіть властивості p-n-переходу. 7. Наведіть приклади практичного використання напівпровідникових матеріалів.8. Яким чином можна визначити тип провідності (n- чи р-) напівпровідникової пластинки з домішкою?

Домашній експеримент

Запропонуйте схему досліду з визначення полюсів напівпровідникового діоду. Опишіть етапи та результати експерименту.