Электронно-дырочный переход. Транзистор

Исходя из значения удельного электрического сопротивления, полупроводники занимают промежуточное положение между хорошими проводниками и диэлектриками. Полупроводниками считают германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и огромное количество других сплавов и химических соединений.

Применение полупроводников

Практически все неорганические соединения являются полупроводниками. Наиболее часто встречающимся считается кремний, который входит в $30\%$ состав земной коры. Отличие полупроводников от металлов проявляется через зависимость удельного сопротивления от температуры. При ее понижении сопротивление падает. Полупроводники наоборот при понижении температуры выявлено возрастание сопротивления вблизи нуля, что делает их практически изоляторами. Это подробно показано на рисунке $1.13.1$.

Рисунок $1.13.1.$ Зависимость удельного сопротивления $\rho$ чистого полупроводника от абсолютной температуры $T$.

Механизм электрического тока нельзя объяснить, основываясь только на модели газа свободных электронов.

Рисунок $1.13.2.$ Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары.

Повышение температуры способствует получению энергии некоторыми валентными электронами, которой достаточно для разрыва ковалентных связей. Это приведет к тому, что в кристалле возникнут свободные электроны, называемые электронами проводимости.

Типы интегральных микросхем

Появление электронно-дырочных пар возможно при освещении полупроводника энергией электромагнитного излучения. Если электрическое поле отсутствует, электроны проводимости и дырки становятся участниками хаотического теплового движения.

При перемещении полупроводника в электрическое поле в упорядоченное движение  вовлекаются свободные электроны и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Отсюда следует, что ток $I$ в полупроводнике состоит из суммы электронного $I_n$ и дырочного $I_p$ токов:

$I=I_n+I_p$.

При наличии примесей в полупроводниках происходит изменение электрической проводимости.

Полупроводник $n$-типа

Возникновение электронной проводимости обусловлено ведением пятивалентных атомов в кристалл с четырехвалентными.

Рисунок $1.13.3.$ Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник $n$-типа.

Рисунок $1.13.3$ показывает пятивалентный атом мышьяка, который находится в узле кристаллической решетки германия. Образование ковалентных связей происходит при помощи $4$ соседних атомов германия и $4$ валентных электрона атома мышьяка. Так как пятый электрон оказывается лишним, он отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом с утерянным электроном становится положительно заряженным ионом, располагаемым в узле кристаллической решетки.

Полупроводник $p$-типа

При ее введении в кристалле происходит появление значительного числа свободных электронов. Это способствует резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника в разы. Если оно содержит большое количество примесей, то происходит приближение к удельному сопротивлению металлического проводника.

Кристалл германия с примесью мышьяка – это электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка, являются основным типом носителей свободного заряда.

Рисунок $1.13.4.$ Атом индия в решетке германия. Полупроводник $p$-типа.

Дырочная проводимость появляется при введении трехвалентных атомов в кристалл германия. Рисунок $1.13.4$ иллюстрирует атом индия, создающий ковалентные связи с $3$ соседними атомами германия с помощью валентных электронов. Для образования связи с $4$ атомом германия у атома индия нет электрона, так как он был захвачен атомом индия  из ковалентной связи соседних атомов германия. Происходит переход атома индия к отрицательному иону, располагаемому в узле кристаллической решетки. Тогда как в ковалентных связях соседних атомов появляется вакансия.

$n-p$ переход

При ее введении в кристалл разрываются ковалентные связи, что приводит к образованию дырок. Если на это место переходит электрон из соседних ковалентных связей, то это приводит к хаотичному блужданию дырок по кристаллу.

Наличие акцепторной примеси способствует резкому снижению удельного сопротивления полупроводника при помощи появления большого количества дырок. Их концентрация  в полупроводнике с акцепторной примесью превышает концентрацию электронов, возникающие по причине механизма собственной электропроводимости полупроводника $n_p\gg n_n$, называемой дырочной.

Дырочная проводимость обуславливается эстафетным перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электрону, осуществляемому ковалентную связь.

Для полупроводников $n-$ и $p-$типов происходит выполнение закона Ома на определенных интервалах сил тока и напряжений с условием постоянной концентрации свободных носителей.