Тема: Электрофизические свойства полупроводников. Полупроводники являются тем материалов, на свойствах которого разработаны элементы, широко применяемые в информационной технике: германий, кремний, арсенид галлия — в качестве основного материала; бор, фосфор, сурьма, индий и некоторые другие вещества — в качестве примесей. В кристаллической решетке четырехвалентного полупроводника, каковыми являются германий и кремний, каждый атом связан с четырьмя соседними атомами с помощью двух валентных электронов по одному от каждого атома. Такая связь называется ковалентной. При ее образовании электрон принадлежит уже не одному, а обоим связанным между собой атомам, т. е. является для них общим (рис. 3, а). В результате внешний слой электронной оболочки каждого из атомов кристаллической решетки имеет как бы по восемь электронов, т. е. является целиком заполненным, а следовательно, электронная оболочка каждого атома представляет устойчивую к внешним воздействиям систему. В таком кристалле все валентные электроны прочно связаны между собой и свободных электронов, которые могли бы участвовать в переносе зарядов, нет. Такую кристаллическую структуру имеют химически чистые (беспримесные) полупроводники при температуре абсолютного нуля, когда они обладают свойствами идеальных изоляторов. Рис.3. Кристаллическая структура химически чистого полупроводника (а), полупроводника с донорной (б) и акцепторной (в) примесью Под действием внешних факторов (например, при повышении температуры) отдельные электроны атомов кристаллической решетки приобретают энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей, и могут перейти из валентной зоны в зону проводимости, став свободными. Этот процесс носит вероятностный характер. При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает свободное место (не занятый электроном энергетический уровень), обладающее положительным зарядом, равным по абсолютному значению заряду электрона. Такое освободившееся в ковалентной связи место называется дыркой, а процесс образования пары «свободный электрон — дырка»—генерацией. В дырку может «перескочить», валентный электрон из заполненной ковалентной связи соседнего атома. В результате ковалентная связь в одном атоме восстановится (этот процесс называют рекомбинацией), а в соседнем разрушится, образуя в нем дырку. Такое перемещение дырки по кристаллу равносильно перемещению положительного заряда. При отсутствии внешнего электрического поля дырки перемещаются в кристалле хаотически. Если же приложить к кристаллу разность потенциалов, то под действием созданного электрического поля движение дырок становится упорядоченным (так же, как и движение свободных электронов, но в противоположном направлении) и в кристалле возникает электрический ток. Таким образом, проводимость полупроводника обусловлена перемещением как отрицательно заряженных свободных электронов, так и положительно заряженных дырок. Соответственно различают два типа проводимости — электронную, или проводимость N-типа, и дырочную, или проводимость Р-типа. В химически чистом полупроводнике число дырок всегда равно числу свободных электронов и электрический ток в нем создается одновременным переносом зарядов обоих знаков. Такую электронно-дырочную проводимость называют собственной проводимостью полупроводника. Она зависит от температуры, освещенности, облучения и тому подобных энергетических воздействий на полупроводник. Для создания полупроводниковых элементов широко применяют полупроводники, у которых часть атомов в узлах кристаллической решетки замещена атомами вещества с другой валентностью. Такие полупроводники называют примесными. С четырехвалентными германием и кремнием используют пятивалентные (мышьяк, сурьма, фосфор) и трехвалентные (бор, алюминий, индий, галлий) примеси.