Як працює напівпровідник? Конструктивні особливості, які мають електричні напівпровідники. Що таке напівпровідники

Ти, молодий друже, сучасник технічної революції в усіх галузях радіоелектроніки. Суть її полягає в тому, що на зміну електронним лампам прийшли напівпровідникові прилади, які тепер все більше тіснять мікросхеми.

Предком одного з найбільш характерних представників «армії» напівпровідникових приладів – транзистора – був так званий генеруючий детектор, винайдений ще 1922 р. радянським радіофізиком О. В. Лосєвим. Цей прилад, що представляє собою кристал напівпровідника з двома дротиками, що примикають до нього, - провідниками, за певних умов міг генерувати і посилювати електричні коливання. Але він тоді через недосконалість не міг конкурувати з електронною лампою. Гідного напівпровідникового суперника електронної лампи, названого транзистором, створили 1948 р. американські вчені Браттейн, Бардін і Шоклі. У нашій країні великий внесок у розробку напівпровідникових приладів зробили А. Ф. Іоффе, Л. Д. Ландау, Б. І. Давидова, В.Є. Лошкарьов та ряд інших вчених та інженерів, багато наукових колективів.

Щоб зрозуміти сутність явищ, що відбуваються в сучасних напівпровідникових приладах, нам доведеться «зазирнути» в структуру напівпровідника, розібратися в причинах утворення електричного струму. Але перед тим добре б тобі згадати ту частину першої бесіди, де я розповідав про будову атомів.

НАПІВПРОВІДНИКИ ТА ЇХ ВЛАСТИВОСТІ

Нагадаю: за електричними властивостями напівпровідники посідають середнє місце між провідниками та непровідниками струму. До сказаного додам, що до групи напівпровідників належить набагато більше речовин, ніж до груп провідників та непровідників, узятих разом. До напівпровідників, які знайшли практичне застосування в техніці, належать германій, кремній, селен, закис міді та деякі інші речовини. Але для напівпровідникових приладів використовують здебільшого лише германій та кремній.

Які найбільш характерні властивості напівпровідників, що відрізняють їх від провідників та непровідників струму? Електропровідність напівпровідників сильно залежить від температури навколишнього середовища. При дуже низькій температурі, близькій до абсолютного нуля (-273°С), вони поводяться по відношенню до електричного струму як ізолятори. Більшість провідників, навпаки, за такої температури стають надпровідними, тобто. майже не надають току жодного опору. З підвищенням температури провідників їх опір електричного струму збільшується, а опір напівпровідників зменшується. Електропровідність провідників не змінюється при дії на них світла. Електропровідність напівпровідників під дією світла, так звана фотопровідність, підвищується. Напівпровідники можуть перетворювати енергію світла на електричний струм. Провідникам це зовсім не властиво. Електропровідність напівпровідників різко збільшується при введенні атомів деяких інших елементів. Електропровідність провідників при введенні в них домішок знижується. Ці та інші властивості напівпровідників були відомі порівняно давно, проте широко використовувати їх стали порівняно недавно.

Німеччин і кремній, що є вихідними матеріалами багатьох сучасних напівпровідникових приладів, мають у зовнішніх шарах своїх оболонок по чотири валентні електрони. Всього ж в атомі германію 32 електрона, а в атомі кремнію 14. Але 28 електронів атома германію та 10 електронів атома кремнію, що знаходяться у внутрішніх шарах їх оболонок, міцно утримуються ядрами і за жодних обставин не відриваються від них. Тільки чотири валентні електрони атомів цих напівпровідників можуть, та й то не завжди, стати вільними. Запам'ятай: чотири! Атом напівпровідника, що втратив хоча б один електрон, стає позитивним іоном.

У напівпровіднику атоми розташовані в строгому порядку: кожен атом оточений чотирма такими самими атомами. Вони також розташовані настільки близько один до одного, що їх валентні електрони утворюють єдині орбіти, що проходять навколо всіх сусідніх атомів, зв'язуючи їх в єдину речовину. Такий взаємозв'язок атомів у кристалі напівпровідника можна уявити у вигляді плоскої схеми, як показано на рис. 72, а. Тут великі кульки зі знаком «+» умовно зображують ядра атомів із внутрішніми шарами електронної оболонки (позитивні іони), а маленькі кульки – валентні електрони. Кожен атом, як бачиш, оточений чотирма такими самими атомами. Кожен із атомів пов'язаний з кожним сусіднім двома валентними електронами, один з яких «свій», а другий запозичений у «сусіда». Це двоелектронний, або валентний зв'язок. Найміцніший зв'язок!

Мал. 72. Схема взаємозв'язку атомів у кристалі напівпровідника (а) та спрощена схема його структури (б)

У свою чергу зовнішній шар електронної оболонки кожного атома містить вісім електронів: чотири своїх і по одному від чотирьох сусідніх атомів. Тут вже неможливо розрізнити, який із валентних електронів в атомі «свій», а який «чужий», оскільки вони стали загальними. При такому зв'язку атомів у всій масі кристала германію або кремнію можна вважати, що кристал напівпровідника є однією великою молекулою.

Схему взаємозв'язку атомів у напівпровіднику можна наочності спростити, зобразивши її оскільки це зроблено на рис. 72, б. Тут ядра атомів з внутрішніми електронними оболонками показані у вигляді гуртків зі знаком плюс, а міжатомні зв'язки – двома лініями, що символізують валентні електрони.

Напівпровідникові прилади, що мають ряд властивостей, які роблять їх застосування кращим перед вакуумними приладами, все ширше використовуються в електронній техніці. Останніми роками, які характеризуються прогресом у напівпровідникової електроніці, розробляються прилади нових фізичних принципах.

До напівпровідників відносять багато хімічних елементів, такі, як кремній, германій, індій, фосфор та ін, більшість оксидів, сульфідів, селенідів і телуридів, деякі сплави, ряд мінералів. За словами академіка А. Ф. Іоффе, "напівпровідники - це майже весь навколишній неорганічний світ".

Напівпровідники бувають кристалічні, аморфні та рідкі. У напівпровідникової техніці зазвичай використовують лише кристалічні напівпровідники (монокристали з домішками трохи більше одного атома домішки на 1010 атомів основної речовини). Зазвичай до напівпровідників відносять речовини, що за питомою електричною провідністю займають проміжне положення між металами та діелектриками (звідси походження їх назви). При кімнатній температурі питома електрична провідність становить від 10-8 до 105 См/м (для металів - 106-108 См/м, для діелектриків - 10-8-10-13 См/м). Основна особливість напівпровідників – зростання питомої електричної провідності у разі підвищення температури (для металів вона падає). Електропровідність напівпровідників значно залежить від зовнішніх впливів: нагрівання, опромінення, електричного та магнітного полів, тиску, прискорення, а також від вмісту незначної кількості домішок. Властивості напівпровідників добре пояснюються за допомогою зонної теорії твердого тіла.

Атоми всіх речовин складаються з ядра та електронів, що рухаються по замкнутій орбіті навколо ядра. Електрони в атомі групуються оболонки. У основних напівпровідників, що використовуються для створення напівпровідникових приладів - кремнію та германію, кристалічні грати тетраедричні (має форму правильної трикутної піраміди) (рис. 16.1). Проекція структури Ge на площину показано на рис. 16.2. Кожен валентний електрон, тобто електрон, що знаходиться на зовнішній, незаповненій оболонці атома, в кристалі належить не тільки своєму, а й ядру сусіднього атома. Усі атоми в кристалічній решітці розташовані на однаковій відстані один від одного і пов'язані ковалентними зв'язками (ковалентним називається зв'язок між парою валентних електронів двох атомів, на рис. 16.2 вона показана двома лініями). Ці зв'язки є міцними; щоб їх розірвати, потрібно ззовні додати енергію.

Енергія електрона W дискретна, або квантована, тому електрон може рухатися лише за тією орбітою, що відповідає його енергії. Можливі значення енергії електрона можна на діаграмі енергетичними рівнями (рис. 16.3). Чим більша віддалена орбіта від ядра, тим більша енергія електрона і тим вищий його енергетичний рівень. Енергетичні рівні розділені зонами II, які відповідають забороненій енергії для електронів (заборонені зони). Так як у твердому тілі сусідні атоми знаходяться дуже близько один від одного, це викликає зміщення та розщеплення енергетичних рівнів, внаслідок чого утворюються енергетичні зони, які називаються дозволеними (I, III, IV на рис. 16.3). Ширина дозволених зон зазвичай дорівнює декільком електрон-вольтам. В енергетичній зоні число дозволених рівнів дорівнює числу атомів у кристалі. Кожна дозволена зона займає певну область енергії та характеризується мінімальним та максимальним рівнями енергії, які називаються відповідно дном та стелею зони.

Дозволені зони, в яких відсутні електрони, називаються вільними (I). Вільна зона, в якій при температурі 0 К електронів немає, а при більш високій температурі вони можуть знаходитися в ній, називається зоною провідності.

Вона знаходиться вище валентної зони (III) – верхньої із заповнених зон, у яких усі енергетичні рівні зайняті електронами при температурі 0 К.

У зонній теорії підрозділ твердих тіл на метали, напівпровідники та діелектрики заснований на ширині забороненої зони між валентною зоною та зоною провідності та ступеня заповнення дозволених енергетичних зон (рис. 16.4). Ширина забороненої зони ΔWa називається енергією активації власної електропровідності. Для металу ΔWa = 0 (рис. 16.4 а); умовно при ΔWa ≤ 2 еВ кристал є напівпровідником (рис. 16.4,6), при ΔWa ≥ 2 еВ - діелектриком (рис. 16.4, в). Так як у напівпровідників значення ΔWa порівняно невелике, достатньо повідомити електрону енергію, порівнянну з енергією теплового руху, щоб він перейшов з валентної зони в зону провідності. Цим пояснюється особливість напівпровідників – збільшення електропровідності у разі підвищення температури.

Електропровідність напівпровідників. Власна електропровідність. Для того, щоб речовина мала електропровідність, вона повинна містити вільні носії заряду. Такими носіями заряду у металах є електрони. У напівпровідниках - електрони та дірки.

Розглянемо електропровідність власних напівпровідників (i-тип), тобто таких речовин, в яких не містяться домішок і немає структурних дефектів кристалічної решітки (порожніх вузлів, зсувів решітки та ін.). При температурі 0 К у такому напівпровіднику вільних носіїв заряду немає. Однак з підвищенням температури (або при іншому енергетичному впливі, наприклад, освітленні) частина ковалентних зв'язків може бути розірвана і валентні електрони, ставши вільними, можуть уникнути свого атома (рис. 16.5). Втрата електрона перетворює атом на позитивний іон. У зв'язках тому місці, де раніше був електрон, з'являється вільне ( " вакантне " ) місце - дірка. Заряд дірки позитивний і за абсолютним значенням дорівнює заряду електрона.

Вільне місце - дірку - може заповнити валентний електрон сусіднього атома, на місці якого в ковалентному зв'язку утворюється нова дірка, і т. д. Таким чином, одночасно з переміщенням валентних електронів переміщатимуться і дірки. При цьому слід мати на увазі, що в кристалічній решітці атоми жорстко закріплені у вузлах. Відхід електрона з атома призводить до іонізації, а подальше переміщення дірки означає почергову іонізацію "нерухомих" атомів. Якщо електричне поле відсутнє, електрони провідності здійснюють хаотичний тепловий рух. Якщо напівпровідник помістити у зовнішнє електричне поле, то електрони та дірки, продовжуючи брати участь у хаотичному тепловому русі, почнуть переміщатися (дрейфувати) під дією поля, що створить електричний струм. При цьому електрони переміщуються проти напрямку електричного поля, а дірки, як позитивні заряди, - у напрямку поля. Електропровідність напівпровідника, що виникає за рахунок порушення ковалентних зв'язків, називається власною електропровідністю.

Електропровідність напівпровідників можна пояснити і з допомогою зонної теорії. Відповідно до неї всі енергетичні рівні валентної зони при температурі 0 К зайняті електронами. Якщо електронам повідомити ззовні енергію, що перевищує енергію активації ΔWa, частина валентних електронів перейде в зону провідності, де вони стануть вільними, або електронами провідності. Внаслідок відходу електронів з валентної зони в ній утворюються дірки, число яких, природно, дорівнює числу електронів, що пішли. Дірки можуть бути зайняті електронами, енергія яких відповідає енергії рівнів валентної зони. Отже, у валентній зоні переміщення електронів викликає переміщення у протилежному напрямку дірок. Хоча у валентній зоні переміщуються електрони, зазвичай зручніше розглядати рух дірок.

Процес утворення пари "електрон провідності – дірка провідності" називається генерацією пари носіїв заряду (1 на рис. 16.6). Можна сміливо сказати, що власна електропровідність напівпровідника - це електропровідність, викликана генерацією пар " електрон провідності - дірка провідності " . Електронно-діркові пари, що утворилися, можуть зникнути, якщо дірка заповнюється електроном: електрон стане невільним і втратить можливість переміщення, а надмірний позитивний заряд іона атома виявиться нейтралізованим. При цьому одночасно зникають і дірка та електрон. Процес возз'єднання електрона та дірки називається рекомбінацією (2 на рис. 16.6). Рекомбінацію відповідно до зонної теорії можна розглядати як перехід електронів із зони провідності на вільні місця у валентну зону. Зазначимо, що перехід електронів з більш високого енергетичного рівня на нижчий супроводжується вивільненням енергії, яка або випромінюється у вигляді квантів світла (фотони), або передається кристалічним ґратам у вигляді теплових коливань (фонони). Середній час існування пари носіїв заряду називається часом життя носіїв заряду. Середня відстань, яку проходить носій заряду за час життя, називається дифузійною довжиною носія заряду (Lр - для дірок, Ln - для електронів).

При постійній температурі (і за відсутності інших зовнішніх впливів) кристал перебуває у стані рівноваги: ​​число генерованих пар носіїв заряду дорівнює числу рекомбінованих пар. Число носіїв заряду в одиниці об'єму, тобто їх концентрація визначає значення питомої електричної провідності. Для напівпровідника концентрація електронів ni дорівнює концентрації дірок pi (ni = pi).

Домішка електропровідність. Якщо в напівпровідник внести домішок, він матиме крім власної електропровідності ще й домішкової. Домішна електропровідність може бути електронною або дірковою. Як приклад розглянемо випадок, коли чистий германій (чотиривалентний елемент) вводиться домішка пятивалентного елемента, наприклад миш'яку (рис. 16.7, а). Атом миш'яку зв'язується в кристалічній решітці германію ковалентними зв'язками. Але у зв'язку можуть брати участь лише чотири валентні електрони миш'яку, а п'ятий електрон виявляється "зайвим", менш сильно пов'язаним з атомом миш'яку. Для того щоб цей електрон відірвати від атома, потрібно значно менше енергії, тому вже при кімнатній температурі може стати електроном провідності, не залишаючи при цьому в ковалентному зв'язку дірки. Таким чином, у вузлі кристалічних ґрат з'являється позитивно заряджений іон домішки, а в кристалі - вільний електрон. Домішки, атоми яких віддають вільні електрони, називаються донорними (донорами).

На рис. 16.7 б показана діаграма енергетичних зон напівпровідника з донорною домішкою. У забороненій зоні поблизу дна зони провідності створюється дозволений енергетичний рівень (домішковий, донорний), на якому при температурі, близької до 0 К, розташовуються "зайві" електрони. Для перекладу електрона з домішкового рівня зону провідності потрібно менше енергії, ніж перекладу електрона з валентної зони. Відстань від донорного рівня до дна зони провідності називається енергією іонізації (активації) донорів Wіd.

Внесення до напівпровідника донорної домішки істотно збільшує концентрацію вільних електронів, а концентрація дірок залишається такою ж, якою вона була у власному напівпровіднику. У такому домішковому напівпровіднику електропровідність обумовлена ​​переважно електронами, її називають електронною, а напівпровідники - напівпровідниками n-типу. Електрони в напівпровідниках n-типу є основними носіями заряду (їхня концентрація висока), а дірки - неосновними.

Якщо в германій ввести домішка тривалентного елемента (наприклад, індію), то для утворення восьмиелектронного ковалентного зв'язку з германієм не вистачить одного електрона. Один зв'язок залишиться незаповненим. При незначному підвищенні температури в незаповнений валентний зв'язок може перейти електрон сусіднього атома германію, залишивши на своєму місці дірку (рис. 16.8 а), яка може бути заповнена електроном і т. д. Таким чином, дірка як би переміщається в напівпровіднику. Домішковий атом перетворюється на негативний іон. Домішки, атоми яких здатні при збудженні прийняти валентні електрони сусідніх атомів, створивши в них дірку, називають акцепторними або акцепторами.

На рис. 16.8 б показана діаграма енергетичних зон напівпровідника з акцепторною домішкою. У забороненій зоні поблизу стелі валентної зони створюється домішковий енергетичний рівень (акцепторний). При температурах, близьких до 0 К, цей рівень вільний, при підвищенні температури може бути зайнятий електроном валентної зони, в якій після відходу електрона утворюється дірка. Відстань від стелі валентної зони до рівня акцептора називається енергією іонізації (активації) акцепторів ΔWіa. Внесення до напівпровідника акцепторної домішки істотно збільшує концентрацію дірок, а концентрація електронів залишається такою ж, якою вона була у власному напівпровіднику. У цьому домішковому напівпровіднику електропровідність обумовлена ​​переважно дірками, її називають дірковою, а напівпровідники - напівпровідниками р-типу. Дірки для напівпровідника р-типу – основні носії заряду, а електрони – неосновні.

У домішкових напівпровідниках поряд із домішковою електропровідністю існує і власна, обумовлена ​​наявністю неосновних носіїв. Концентрація неосновних носіїв у домішковому напівпровіднику зменшується в стільки разів, скільки збільшується концентрація основних носіїв, тому для напівпровідників n-типу справедливе співвідношення nnpn = nipi = ni2 = pi2 , а для напівпровідників р-типу - співвідношення ppnp = ni2 = pi2 , де nn pn - концентрація основних, a pp і np - концентрація неосновних носіїв заряду відповідно в напівпровіднику n і р-типу.

Питома електрична провідність домішкового напівпровідника визначається концентрацією основних носіїв і тим вище, що більша їх концентрація. Насправді часто зустрічається випадок, коли напівпровідник містить і донорні, і акцепторні домішки. Тоді тип електропровідності визначатиметься домішкою, концентрація якої вища. Напівпровідник, у якого концентрації донорів Nd та акцепторів Na дорівнюють (Nd = Na)), називають скомпенсованим.

Напівпровідники характеризуються як властивостями провідників, і діелектриків. У напівпровідникових кристалах атоми встановлюють ковалентні зв'язки (тобто один електрон у кристалі кремнію, як і алмазу, пов'язаний двома атомами), електронам необхідний рівень внутрішньої енергії для вивільнення з атома (1,76·10 −19 Дж проти 11,2·10 −19 Дж, чим і характеризується відмінність між напівпровідниками та діелектриками). Ця енергія з'являється в них при підвищенні температури (наприклад, при кімнатній температурі рівень енергії теплового руху атомів дорівнює 0,4 10 -19 Дж), і окремі атоми отримують енергію для відриву електрона від атома. Зі зростанням температури кількість вільних електронів і дірок збільшується, тому в напівпровіднику, що не містить домішок, питомий опір зменшується. Умовно прийнято вважати напівпровідниками елементи з енергією зв'язку електронів меншою ніж 1,5-2 еВ. Електронно-дірковий механізм провідності проявляється у власних (тобто без домішок) напівпровідників. Він називається власною електричною провідністю напівпровідників.

Дірка

Під час розриву зв'язку між електроном та ядром з'являється вільне місце в електронній оболонці атома. Це зумовлює перехід електрона з іншого атома на атом із вільним місцем. На атом, звідки перейшов електрон, входить інший електрон з іншого атома тощо. буд. Це зумовлюється ковалентними зв'язками атомів. Таким чином відбувається переміщення позитивного заряду без переміщення самого атома. Цей умовний позитивний заряд називають діркою.

Власна щільність

При термодинамічній рівновазі щільність електронів напівпровідника пов'язана з температурою наступним співвідношенням:

Також щільність дірок напівпровідника пов'язана з температурою наступним співвідношенням:

Власна щільність пов'язана з наступним співвідношенням:

Види напівпровідників

За характером провідності

Власна провідність

Напівпровідники, у яких вільні електрони та «дірки» з'являються в процесі іонізації атомів, з яких побудований весь кристал, називають напівпровідниками із власною провідністю. У напівпровідниках зі своєю провідністю концентрація вільних електронів дорівнює концентрації «дірок».

Провідність пов'язана з рухливістю частинок наступним співвідношенням:

де – питомий опір, – рухливість електронів, – рухливість дірок, – їх концентрація, q – елементарний електричний заряд (1,602·10 −19 Кл).

Для власного напівпровідника концентрації носіїв збігаються і формула набуває вигляду:

Домішна провідність

Для створення напівпровідникових приладів часто використовують кристали із домішковою провідністю. Такі кристали виготовляють за допомогою внесення домішок з атомами тривалентного або пятивалентного хімічного елемента.

За видом провідності

Електронні напівпровідники (n-типу)

Напівпровідник n-типу

Термін "n-тип"походить від слова "negative", що позначає негативний заряд основних носіїв. Цей вид напівпровідників має домішкову природу. У чотиривалентний напівпровідник (наприклад, кремній) додають домішка пятивалентного напівпровідника (наприклад, миш'яку). У процесі взаємодії кожен атом домішки входить у ковалентну зв'язок з атомами кремнію. Однак для п'ятого електрона атома миш'яку немає місця у насичених валентних зв'язках, і він переходить на далеку електронну оболонку. Там для відриву електрона від атома потрібна менша кількість енергії. Електрон відривається і перетворюється на вільний. В даному випадку перенесення заряду здійснюється електроном, а не діркою, тобто даний вид напівпровідників проводить електричний струм подібно до металів. Домішки, які додають напівпровідники, внаслідок чого вони перетворюються на напівпровідники n-типу, називаються донорними.

Провідність N-напівпровідників приблизно дорівнює:

Діркові напівпровідники (р-типу)

Напівпровідник p-типу

Термін "p-тип"походить від слова "positive", що означає позитивний заряд основних носіїв. Цей вид напівпровідників, окрім домішкової основи, характеризується дірковою природою провідності. У чотиривалентний напівпровідник (наприклад, кремній) додають невелику кількість атомів тривалентного елемента (наприклад, індія). Кожен атом домішки встановлює ковалентний зв'язок із трьома сусідніми атомами кремнію. Для встановлення зв'язку з четвертим атомом кремнію атом індію не має валентного електрона, тому він захоплює валентний електрон з ковалентного зв'язку між сусідніми атомами кремнію і стає негативно зарядженим іоном, внаслідок чого утворюється дірка. Домішки, які додають у цьому випадку, називаються акцепторними.

Провідність p-напівпровідників приблизно дорівнює:

Використання в радіотехніці

Напівпровідниковий діод

Напівпровідниковий діод складається з двох типів напівпровідників - діркового та електронного. У процесі контакту між цими областями області з напівпровідником n-типу в область з напівпровідником p-типу проходять електрони, які потім рекомбінують з дірками. Внаслідок цього виникає електричне поле між двома областями, що встановлює межу поділу напівпровідників – так званий p-n перехід. В результаті в області з напівпровідником p-типу виникає некомпенсований заряд із негативних іонів, а в області з напівпровідником n-типу виникає некомпенсований заряд із позитивних іонів. Різниця між потенціалами досягає 0,3-0,6 ст.

Зв'язок між різницею потенціалів та концентрацією домішок виражається такою формулою:

де – термодинамічна напруга, – концентрація електронів, – концентрація дірок, – власна концентрація.

У процесі подачі напруги плюсом на p-напівпровідник і мінусом на n-напівпровідник зовнішнє електричне поле буде спрямоване проти внутрішнього електричного поля p-n переходу і при достатній напрузі електрони подолають p-n перехід, і в ланцюзі діода з'явиться електричний струм (пряма провідність). При подачі напруги мінусом область з напівпровідником p-типу і плюсом область з напівпровідником n-типу між двома областями виникає область, яка має вільних носіїв електричного струму (зворотна провідність). Зворотний струм напівпровідникового діода не дорівнює нулю, тому що в обох областях завжди є неосновні носії заряду. Для цих носіїв p-n перехід буде відкрито.

Таким чином, p-n перехід виявляє властивості односторонньої провідності, що обумовлюється подачею напруги з різною полярністю. Цю властивість використовують для випрямлення змінного струму.

Транзистор

Транзистор - напівпровідниковий пристрій, який складається з двох областей з напівпровідниками p-або n-типу, між якими знаходиться область з напівпровідником n-або p-типу. Таким чином, у транзисторі є дві області p-n переходу. Область кристала між двома переходами називають базою, а зовнішні області називають емітером та колектором. Найуживанішою схемою включення транзистора є схема включення із загальним емітером, коли через базу і емітер струм поширюється на колектор.

Біполярний транзистор використовують для посилення електричного струму.

Типи напівпровідників у періодичній системі елементів

У наведеній нижче таблиці представлена ​​інформація про велику кількість напівпровідникових елементів та їх з'єднань, розділених на кілька типів:

• одноелементні напівпровідники IV групи періодичної системи елементів
• складні: двоелементні A III B V та A II B VI з третьої та п'ятої групи та з другої та шостої групи елементів відповідно.

Всі типи напівпровідників мають цікаву залежність ширини забороненої зони від періоду, а саме - зі збільшенням періоду ширина забороненої зони зменшується.

Фізичні властивості та застосування

Насамперед, слід сказати, що фізичні властивості напівпровідників найбільш вивчені порівняно з металами та діелектриками. Неабиякою мірою цьому сприяє величезна кількість ефектів, які не можуть бути спостерігаються ні в тих, ні в інших речовинах, насамперед пов'язані з пристроєм зонної структури напівпровідників, і наявністю досить вузької забороненої зони. Звичайно ж, основним стимулом для вивчення напівпровідників є виробництво напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем - це в першу чергу відноситься до кремнію, але торкається й інших сполук (GaAs, InP, InSb).

У зв'язку з тим, що технологи можуть одержувати дуже чисті речовини, постає питання про новий зразок для числа Авогадро.

Легування

Об'ємні властивості напівпровідника можуть сильно залежати від наявності дефектів у кристалічній структурі. І тому прагнуть вирощувати дуже чисті речовини, переважно для електронної промисловості. Легують домішки вводять для управління величиною і типом провідності напівпровідника. Наприклад, широко поширений кремній можна легувати елементом V підгрупи періодичної системи елементів - фосфором, який є донором, і створити n-Si. Для отримання кремнію з дірковим типом провідності (p-Si) використовують бор (акцептор). Також створюють компенсовані напівпровідники, щоб зафіксувати рівень Фермі в середині забороненої зони.

Методи отримання

Для отримання монокристалів напівпровідників використовують різні методи фізичного та хімічного осадження. Найбільш прецизійний та дорогий інструмент у руках технологів для зростання монокристалічних плівок - установки молекулярно-променевої епітаксії, що дозволяє вирощувати кристал з точністю до моношару.

Оптика напівпровідників

Поглинання світла напівпровідниками зумовлено переходами між енергетичними станами зонної структури. Враховуючи принцип заборони Паулі, електрони можуть переходити лише із заповненого енергетичного рівня на незаповнений. У власному напівпровіднику всі стани валентної зони заповнені, проте стани зони провідності незаповнені, тому переходи можливі лише з валентної зони до зони провідності . Для такого переходу електрон повинен отримати від світла енергію, що перевищує ширину забороненої зони. Фотони з меншою енергією не викликають переходів між електронними станами напівпровідника, тому такі напівпровідники прозорі в області частот, де ширина забороненої зони, постійна Планка. Ця частота визначає фундаментальний край поглинання напівпровідника. Для напівпровідників, які найчастіше застосовуються в електроніці (кремній, германій, арсенід галію) вона лежить в інфрачервоній області спектра.

Додаткові обмеження на поглинання світла напівпровідників накладають правила відбору, зокрема закон збереження імпульсу. Закон збереження імпульсу вимагає, щоб квазіімпульс кінцевого стану відрізнявся від квазіімпульсу початкового стану на величину імпульсу поглиненого фотона. Хвильове число фотона , де - довжина хвилі, дуже мало в порівнянні з хвильовим вектором зворотної решітки напівпровідника, або, що те ж саме, довжина хвилі фотона у видимій області набагато більша за характерну міжатомну відстань у напівпровіднику, що призводить до вимоги того, щоб квазіімпульс кінцевого стану при електронному переході практично дорівнював квазіімпульсу початкового стану. При частотах, близьких до фундаментального краю поглинання, це можливо тільки для напівпровідників прямозонних . Оптичні переходи в напівпровідниках, при яких імпульс електрона майже не змінюється прямимиабо вертикальними. Імпульс кінцевого стану може значно відрізнятись від імпульсу початкового стану, якщо в процесі поглинання фотона бере участь ще одна, третя частка, наприклад, фонон. Такі переходи теж можливі, хоч і менш ймовірні. Вони називаються непрямими переходами.

Таким чином, прямозонні напівпровідники, такі як арсенід галію, починають сильно поглинати світло, коли енергія кванта перевищує ширину забороненої зони. Такі напівпровідники дуже зручні для використання в оптоелектроніці.

Непрямозонні напівпровідники, наприклад, кремній, поглинають в області частот світла з енергією кванта трохи більше за ширину забороненої зони значно слабше, тільки завдяки непрямим переходам, інтенсивність яких залежить від присутності фононів, і отже, від температури. Гранична частота прямих переходів кремнію більше 3 еВ, тобто лежить в ультрафіолетовій області спектра.

При переході електрона з валентної зони в зону провідності у напівпровіднику виникають вільні носії заряду, а отже фотопровідність.

При частотах нижче за край фундаментального поглинання також можливе поглинання світла, яке пов'язане з збудженням екситонів, електронними переходами між рівнями домішок і дозволеними зонами, а також з поглинанням світла на коливаннях ґрат і вільних носіях. Екситонні зони розташовані в напівпровіднику трохи нижче дна зони провідності завдяки енергії зв'язку ексітону. Екситонні спектри поглинання мають водневу структуру енергетичних рівнів. Аналогічним чином домішки, акцептори або донори створюють акцепторні або донорні рівні, що лежать у забороненій зоні. Вони значно модифікують спектр поглинання напівпровідника легованого. Якщо при непрямозонному переході одночасно з квантом світла поглинається фонон, то енергія поглиненого світлового кванта може бути меншою на величину енергії фонону, що призводить до поглинання на частотах трохи нижче енергії від фундаментального краю поглинання.

Список напівпровідників

Напівпровідникові з'єднання ділять на кілька типів:

• прості напівпровідникові матеріали - власне хімічні елементи: бор B, вуглець C, германій Ge, кремній Si, селен Se, сірка S, сурма Sb, телур Te та йод I. Самостійне застосування широко знайшли германій, кремній та селен. Інші найчастіше застосовуються як легуючі добавки або як компоненти складних напівпровідникових матеріалів;
• у групу складних напівпровідникових матеріалів входять хімічні сполуки, що мають напівпровідникові властивості і включають два, три і більше хімічних елементів. Напівпровідникові матеріали цієї групи, що складаються із двох елементів, називають бінарними, І так само, як це прийнято в хімії, мають найменування того компонента, металеві властивості якого виражені слабше. Так, бінарні сполуки, що містять миш'як, називають арсенідами, сірку - сульфідами, телур - телуридами, вуглець - карбідами. Складні напівпровідникові матеріали поєднують за номером групи Періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва, до якої належать компоненти з'єднання, і позначають літерами латинського алфавіту (A - перший елемент, B - другий і т. д.). Наприклад, бінарне з'єднання фосфід inP має позначення A III B V

Широке застосування отримали такі сполуки:

A III B V

• InSb, InAs, InP, GaSb, GaP, AlSb, GaN, InN

• CdSb, ZnSb

• ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, HgSe, HgTe, HgS

• PbS, PbSe, PbTe, SnTe, SnS, SnSe, GeS, GeSe

а також деякі оксиди свинцю, олова, германію, кремнію а також ферит, аморфні стекла і багато інших сполук II B IV C 3 VI).

На основі більшості з наведених бінарних сполук можливе отримання їх твердих розчинів: (CdTe) x (HgTe) 1-x , (HgTe) x (HgSe) 1-x , (PbTe) x (SnTe) 1-x , (PbSe) x (SnSe) 1-x та інших.

З'єднання A III B V переважно застосовуються для виробів електронної техніки, що працюють на надвисоких частотах

З'єднання A II B V використовують як люмінофори видимої області, світлодіоди, датчики Холла, модулятори.

З'єднання A III B V , A II B VI та A IV B VI застосовують при виготовленні джерел та приймачів світла, індикаторів та модульаторів випромінювань.

Окисні напівпровідникові сполуки застосовують для виготовлення фотоелементів, випрямлячів та сердечників високочастотних індуктивностей.

Напівпровідники - широкий клас речовин, що характеризується значеннями питомої електропровідності, що лежить в діапазоні між питомою електропровідністю металів і хороших діелектриків, тобто ці речовини не можуть бути віднесені як до діелектриків (оскільки не є хорошими ізоляторами), так і до металів (Не є добрими провідниками електричного струму). До напівпровідників, наприклад, відносять такі речовини як германій, кремній, селен, телур, а також деякі оксиди, сульфіди та сплави металів.

Властивості:

1) З підвищенням температури питомий опір напівпровідників зменшується, на відміну від металів, у яких питомий опір із підвищенням температури збільшується. Причому зазвичай у широкому інтервалі температур зростання це відбувається експоненційно. Питомий опір напівпровідникових кристалів може зменшуватися при впливі світла або сильних електронних полів.

2) Властивість односторонньої провідності контакту двох напівпровідників. Саме ця властивість використовується при створенні різноманітних напівпровідникових приладів: діодів, транзисторів, тиристорів та ін.

3) Контакти різних напівпровідників у певних умовах при освітленні або нагріванні є джерелами фото-е. д. с. або, відповідно, термо-е. д. с.

Напівпровідники відрізняються від інших класів твердих тіл багатьма специфічними особливостями, найголовнішими з яких є:

1) позитивний температурний коефіцієнт електропровідності, тобто з підвищенням температури, електропровідність напівпровідників зростає;

2) питома провідність напівпровідників менша, ніж у металів, але більша, ніж у ізоляторів;

3) великі значення термоелектрорушійної сили проти металами;

4) висока чутливість властивостей напівпровідників до іонізуючих випромінювань;

5) здатність різкої зміни фізичних властивостей під впливом мізерно малих концентрацій домішок;

6) ефект випрямлення струму чи неомічна поведінка на контактах.

3. Фізичні процеси в p-n – переході.

Основним елементом більшості напівпровідникових приладів є електронно-дірковий перехід ( р-n-перехід), що є перехідним шаром між двома областями напівпровідника, одна з яких має електронну електропровідність, а інша - дірочну.

Освіта p-nпереходу. P-nперехід у рівноважному стані

Розглянемо докладніше процес освіти p-nпереходу. Рівноважним називають такий стан переходу, коли відсутня зовнішня напруга. Нагадаємо, що в р-області є два види основних носіїв заряду: нерухомі негативно заряджені іони атомів акцепторної домішки та вільні позитивно заряджені дірки; а в n-області є також два види основних носіїв заряду: нерухомі позитивно заряджені іони атомів акцепторної домішки та вільні негативно заряджені електрони.

До зіткнення pі nобластей електрони дірки та іони домішок розподілені рівномірно. При контакті на кордоні pі nобластей виникає градієнт концентрації вільних носіїв заряду та дифузія. Під дією дифузії електрони з n-області переходить у pі рекомбінує там із дірками. Дірки з р-області переходять у n-область та рекомбінують там з електронами. В результаті такого руху вільних носіїв заряду в прикордонній області їх концентрація зменшується майже до нуля і в той же час у робласті утворюється негативний просторовий заряд іонів акцепторної домішки, а в n-області позитивний просторовий заряд іонів донорної домішки Між цими зарядами виникає контактна різниця потенціалів φ дота електричне поле Є до, що перешкоджає дифузії вільних носіїв заряду з глибини р-і n-областей через р-n-перехід. Таким чином область, об'єднана вільними носіями заряду зі своїм електричним полем і називається р-n-переходом.

P-n-перехід характеризується двома основними параметрами:

1. Висота потенційного бар'єру. Вона дорівнює контактній різниці потенціалів φ до. Це різниця потенціалів у переході, зумовлена ​​градієнтом концентрації носіїв заряду. Це енергія, яку повинен мати вільний заряд, щоб подолати потенційний бар'єр:

де k- Постійна Больцмана; е- Заряд електрона; Т- Температура; N аі N Д– концентрації акцепторів та донорів у дірковій та електронній областях відповідно; р рі р n- Концентрації дірок в р-і n-областях відповідно; n i –власна концентрація носіїв заряду в нелігованому напівпровіднику,  т =кТ/е– температурний потенціал. При температурі Т=27 0 З  т=0.025В, для германієвого переходу  до=0,6В, для кремнієвого переходу  до= 0,8В.

2. Ширина p-n-переходу(рис.1) – це прикордонна область, збіднена носіями заряду, яка розташована в pі nобластях: l p-n = l p + l n:

Звідси,

де ε - Відносна діелектрична проникність матеріалу напівпровідника; ε 0 - Діелектрична стала вільного простору.

Товщина електронно-діркових переходів має порядок (0,1-10) мкм. Якщо , то й p-n-перехід називається симетричним, якщо , то і p-n-Перехід називається несиметричним, причому він в основному розташовується в області напівпровідника з меншою концентрацією домішки.

У рівноважному стані (без зовнішньої напруги) через р-nперехід рухаються два зустрічні потоки зарядів (протікають два струми). Це дрейфовий струм неосновних носіїв заряду та дифузійний струм, який пов'язаний із основними носіями заряду. Так як зовнішня напруга відсутня, і струму в зовнішньому ланцюгу немає, то дрейфовий струм і дифузійний струм взаємно врівноважуються і результуючий струм дорівнює нулю

I ін + I диф = 0.

Це співвідношення називають умову динамічної рівноваги процесів дифузії та дрейфу в ізольованому (рівноважному) p-n-перехід.

Поверхня, якою контактують pі nобласті називається металургійним кордоном. Реально вона має кінцеву товщину. δ м. Якщо δ м<< l p-n , то p-n-перехід називають різким. Якщо δ м >> l p-n, то p-n-перехід називають плавним.

Р-nперехід при зовнішній напрузі, доданій до нього

Зовнішня напруга порушує динамічну рівновагу струмів у p-n-перехід. P-n-перехід перетворюється на нерівноважний стан. Залежно від полярності напруги прикладеної до областей p-n-переходу можливо два режими роботи.

1) Пряме зміщенняp-n переходу. Р-n-перехід вважається зміщеним у прямому напрямку, якщо позитивний полюс джерела живлення приєднаний до р-області, а негативний до n-області (рис.1.2)

При прямому зміщенні, напруги  до і U спрямовані зустрічно, результуюча напруга на p-n-переході зменшується до величини  до - U. Це призводить до того, що напруженість електричного поля зменшується та відновлюється процес дифузії основних носіїв заряду. Крім того, пряме зміщення зменшує ширину p-nпереходу, т.к. l p-n ≈(к – U) 1/2 . Струм дифузії, струм основних носіїв заряду, стає набагато більше дрейфового. Через p-n-перехід протікає прямий струм

I р-n = I пр = I диф + I ін I диф .

При протіканні прямого струму основні носії заряду р-області переходять у n-область, де стають неосновними. Дифузійний процес запровадження основних носіїв заряду в область, де вони стають неосновними, називається інжекцією, а прямий струм – дифузійним струмом чи струмом інжекції. Для компенсації неосновних носіїв заряду що накопичуються в p і n-областях у зовнішній ланцюга виникає електронний струм джерела напруги, тобто. принцип електронейтральності зберігається.

При збільшенні UСтрум різко зростає, - температурний потенціал, і може досягати великих величин т.к. пов'язані з основними носіями концентрація яких велика.

2) Зворотне зміщення, виникає коли до р-області доданий мінус, а до n-області плюс зовнішнього джерела напруги (рис.1.3).

Така зовнішня напруга Uвключено згідно  до. Воно: збільшує висоту потенційного бар'єру до величини  до + U; напруженість електричного поля зростає; ширина p-nпереходу збільшується, т.к. l p-n ≈( до + U) 1/2; процес дифузії повністю припиняється і через p-nперехід протікає дрейфовий струм, струм неосновних носіїв заряду. Такий струм p-n-переходу називають зворотним, а оскільки він пов'язаний з неосновними носіями заряду, які виникають за рахунок термогенерації, то його називають тепловим струмом і позначають - I 0, тобто.

I р-n = I обр = I диф + I ін I ін = I 0.

Цей струм малий за величиною. пов'язані з неосновними носіями заряду, концентрація яких мала. Таким чином, p-nпереходу має односторонню провідність.

При зворотному усуненні концентрація неосновних носіїв заряду межі переходу дещо знижується проти равновесной. Це призводить до дифузії неосновних носіїв заряду із глибини. pі n-областей до кордону p-nпереходу. Досягнувши її неосновні носії потрапляють у сильне електричне поле та переносяться через p-nперехід, де стають основними носіями заряду. Дифузія неосновних носіїв заряду до кордону p-nпереходу та дрейф через нього в область, де вони стають основними носіями заряду, називається екстракцією. Екстракція та створює зворотний струм p-nпереходу – це струм неосновних носіїв заряду.

Величина зворотного струму сильно залежить: від температури навколишнього середовища, матеріалу напівпровідника та площі p-nпереходу.

Температурна залежність зворотного струму визначається виразом, де – номінальна температура, – фактична температура, – температура подвоєння теплового струму.

Тепловий струм кремнієвого переходу набагато менше теплового струму переходу на основі германію (на 3-4 порядки). Це пов'язано з  доматеріалу.

Зі збільшенням площі переходу зростає його об'єм, а відтак зростає кількість неосновних носіїв, що з'являються в результаті термогенерації та теплового струму.

Отже, головна властивість p-n-Переходу - це його одностороння провідність.

4. Вольтамперна характеристика p-n – переходу.

Отримаємо вольт-амперну характеристику p-n переходу. Для цього запишемо рівняння безперервності у загальному вигляді:

Розглянемо стаціонарний випадок dp/dt = 0.

Розглянемо струм у квазінейтральному обсязі напівпровідника n-типу праворуч від збідненої області p-n переходу (x > 0). Темп генерації G у квазінейтральному обсязі дорівнює нулю: G = 0. Електричне поле E теж дорівнює нулю: E = 0. Дрейфова компонента струму також дорівнює нулю: I E = 0, отже, дифузійний струм . Темп рекомбінації R при малому рівні інжекції описується співвідношенням:

Скористаємося таким співвідношенням, що зв'язує коефіцієнт дифузії, довжину дифузії та час життя неосновних носіїв: Dτ = L p 2 .

З урахуванням зазначених вище припущень рівняння безперервності має вигляд:

Граничні умови для дифузійного рівняння в p-n переході мають вигляд:

Рішення диференціального рівняння (2.58) з граничними умовами (*) має вигляд:

Співвідношення (2.59) описує закон розподілу інжектованих дірок у квазінейтральному обсязі напівпровідника n-типу для електронно-діркового переходу (рис. 2.15). У струмі p-n переходу беруть участь усі носії, що перетнули кордон ОПЗ з квазінейтральним обсягом p-n переходу. Оскільки весь дифузійний струм, підставляючи (2.59) у вираз для струму, отримуємо (рис. 2.16):

Співвідношення (2.60) визначає дифузійну компоненту діркового струму p-n переходу, що виникає при інжекції неосновних носіїв при прямому зміщенні. Для електронної компоненти струму p-n переходу аналогічно отримуємо:

При V G = 0 дрейфові та дифузійні компоненти врівноважують один одного. Отже, .

Повний струм p-n переходу є сумою всіх чотирьох компонентів струму p-n переходу:

Вираз у дужках має фізичне значення зворотного струму p-n переходу. Дійсно, при негативних напругах V G< 0 ток дрейфовый и обусловлен неосновными носителями. Все эти носители уходят из цилиндра длиной L n со скоростью L n /τ p . Тогда для дрейфовой компоненты тока получаем:

Мал. 2.15. Розподіл нерівноважних інжектованих з емітера носіїв за квазінейтральним обсягом бази p-n переходу

Неважко бачити, що це співвідношення еквівалентно отриманому раніше під час аналізу рівняння безперервності.

Якщо потрібно реалізувати умову односторонньої інжекції (наприклад, тільки інжекції дірок), то із співвідношення (2.61) слід вибрати мале значення концентрації неосновних носіїв n p0 в p-області. Звідси випливає, що напівпровідник p-типу може бути сильно легований проти напівпровідником n-типу: N A >> N D . В цьому випадку в струмі p-n переходу домінуватиме дірочна компонента (рис. 2.16).

Мал. 2.16. Струми в несиметричному p-n нереході при прямому зміщенні

Таким чином, ВАХ p-n переходу має вигляд:

Щільність струму насичення J s дорівнює:

ВАХ p-n переходу, що описується співвідношенням (2.62), наведено малюнку 2.17.

Мал. 2.17. Вольт-амперна характеристика ідеального p-n переходу

Як випливає із співвідношення (2.16) та малюнка 2.17, вольт-амперна характеристика ідеального p-n переходу має яскраво виражений несиметричний вигляд. В області прямих напруг струм p-n переходу дифузійний та експоненційно зростає зі зростанням прикладеної напруги. В області негативних напруг струм p-n переходу - дрейфовий і не залежить від прикладеної напруги.

5. Місткість p-n – переходу.

Будь-яка система, в якій при зміні потенціалу змінюється електричний заряд Q, має ємність. Величина ємності визначається співвідношенням: .

Для p-n переходу можна виділити два типи зарядів: заряд області просторового заряду іонізованих донорів і акцепторів Q B і заряд інжектованих носіїв в базу з емітера Q p . При різних зсувах на p-n переході при розрахунку ємності домінуватиме той чи інший заряд. У зв'язку з цим для ємності pn переходу виділяють бар'єрну ємність C B і дифузійну ємність C D .

Бар'єрна ємність C B - це ємність p-n переходу при зворотному зміщенні V G< 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.

Величина заряду іонізованих донорів і акцепторів Q B на одиницю площі для несиметричного переходу p-n дорівнює:

Диференціюючи вираз (2.65), отримуємо:

З рівняння (2.66) слід, що бар'єрна ємність C B являє собою ємність плоского конденсатора, відстань між обкладками якого дорівнює ширині області просторового заряду W. Оскільки ширина ОПЗ залежить від прикладеної напруги V G , то бар'єрна ємність також залежить від прикладеної напруги. Чисельні оцінки величини бар'єрної ємності показують, що її значення становить десятки чи сотні пикофарад.

Дифузійна ємність CD - це ємність p-n переходу при прямому зміщенні V G > 0, обумовлена ​​зміною заряду Q p інжектованих носіїв в базу з емітера Q p .

Залежність бар'єрної ємності B від прикладеної зворотної напруги V G використовується для приладової реалізації. Напівпровідниковий діод, що реалізує цю залежність, називається варикапом. Максимальне значення ємності варикап має при нульовій напрузі VG. При збільшенні зворотного усунення ємність варикапа зменшується. Функціональна залежність ємності варикапу від напруги визначається профілем легування бази варикапу. У разі однорідного легування ємність обернено пропорційна кореню з прикладеної напруги V G . Задаючи профіль легування в базі варикапу N D (x), можна отримати різні залежності ємності варикапа від напруги C(V G) - лінійно спадають, експоненційно спадають.

6. Напівпровідникові діоди: класифікація, особливості конструкції, умовні позначення та маркування.

Напівпровідниковий діод- напівпровідниковий прилад з одним електричним переходом та двома висновками (електродами). На відміну від інших типів діодів, принцип дії напівпровідникового діода ґрунтується на явищі p-n-переходу.

Одна з головних властивостей p-n‑переходу полягає в його здатності пропускати електричний струм в одному (прямому) напрямку в тисячі та мільйони разів краще, ніж у зворотному.

Напівпровідники - клас речовин, що займають проміжне положення між речовинами, що добре проводять електричний струм (провідники, переважно метали), і речовинами, що практично не проводять електричного струму (ізолятори або діелектрики).

Для напівпровідників характерна сильна залежність їх властивостей і характеристик від мікроскопічних кількостей домішок, що містяться в них. Змінюючи кількість домішок у напівпровіднику від десятимільйонних часток відсотка до 0,1–1%, можна змінити їх провідність у мільйони разів. Інша найважливіша властивість напівпровідників у тому, що електричний струм переноситься у яких як негативними зарядами - електронами, а й рівними їм за величиною позитивними зарядами - дірками.

Якщо розглядати ідеалізований напівпровідниковий кристал, абсолютно вільний від якихось домішок, його здатність проводити електричний струм визначатиметься так званої власної електропровідністю.

Атоми у кристалі напівпровідника пов'язані між собою за допомогою електронів зовнішньої електронної оболонки. При теплових коливаннях атомів теплова енергія розподіляється між електронами, що утворюють зв'язки, нерівномірно. Окремі електрони можуть отримувати кількість теплової енергії, достатню для того, щоб відірватися від свого атома і отримати можливість вільно переміщатися в кристалі, тобто стати потенційними носіями струму (інше можна сказати, що вони переходять в зону провідності). Такий відхід електрона порушує електричну нейтральність атома, у нього виникає позитивний заряд, рівний за величиною заряду електрона, що пішов. Це вакантне місце називають діркою.

Так як вакантне місце може бути зайняте електроном сусіднього зв'язку, дірка також може переміщатися всередині кристала і є позитивним носієм струму. Природно, що електрони та дірки за цих умов виникають у рівних кількостях, і електропровідність такого ідеального кристала однаковою мірою визначатиметься як позитивними, так і негативними зарядами.

Якщо місце атома основного напівпровідника помістити атом домішки, у зовнішній електронної оболонці якого міститься однією електрон більше, ніж в атома основного напівпровідника, такий електрон виявиться хіба що зайвим, непотрібним освіти міжатомних зв'язків у кристалі і слабко пов'язані з своїм атомом. Достатньо в десятки разів менше енергії, щоб відірвати його від свого атома і перетворити на вільний електрон. Такі домішки називають донорними, тобто віддають "зайвий" електрон. Атом домішки заряджається, зрозуміло, позитивно, але дірки при цьому не з'являється, так як діркою може бути лише вакансія електрона в незаповненому міжатомному зв'язку, а в даному випадку всі зв'язки заповнені. Цей позитивний заряд залишається пов'язаним зі своїм атомом, нерухомим і, отже, у процесі електропровідності брати участь не може.

Введення в напівпровідник домішок, зовнішня електронна оболонка яких містить менше електронів, ніж атомах основної речовини, призводить до появи незаповнених зв'язків, т. е. дірок. Як було сказано вище, ця вакансія може бути зайнята електроном із сусіднього зв'язку, і дірка отримує можливість вільного переміщення по кристалу. Іншими словами, рух дірки - це послідовний перехід електронів із одного сусіднього зв'язку до іншого. Такі домішки, які «приймають» електрон, називають акцепторними.

Якщо прикласти до структури метал - діелектрик напівпровідник n-типу напруга (зазначеної малюнку полярності), то приповерхневому шарі напівпровідника виникає електричне поле, що відштовхує електрони. Цей шар виявляється збідненим.

У напівпровіднику p-типу, де основними носіями є позитивні заряди - дірки, полярність напруги, яка відштовхувала електрони, притягуватиме дірки і створювати збагачений шар зі зниженим опором. Зміна полярності в цьому випадку призведе до відштовхування дірок та утворення приповерхневого шару з підвищеним опором.

Зі збільшенням кількості домішок того чи іншого типу електропровідність кристала починає набувати все більш яскраво вираженого електронного або діркового характеру. Відповідно до перших літер латинських слів negativus і positivus електронну електропровідність називають електропровідністю n-типу, а дірочну - p-типу, відзначаючи цим, який тип рухомих носіїв заряду для даного напівпровідника є основним, а який - неосновним.

При електропровідності, обумовленої наявністю домішок (тобто домішкової), в кристалі як і залишається 2 типу носіїв: основні, що з'являються головним чином за рахунок введення в напівпровідник домішок, і неосновні, зобов'язані своєю появою теплового збудження. Зміст 1 см 3 (концентрація) електронів n і дірок p для даного напівпровідника при даній температурі є постійна величина: n − p = const. Це означає, що, збільшуючи рахунок введення домішок у кілька разів концентрацію носіїв даного типу, ми у стільки ж разів зменшуємо концентрацію носіїв іншого типу. Наступна важлива властивість напівпровідників - їх сильна чутливість до температури та опромінення. Зі зростанням температури підвищується середня енергія коливання атомів у кристалі, і дедалі більше зв'язків піддаватиметься розриву. З'являтимуться нові й нові пари електронів і дірок. За досить високих температур власна (теплова) провідність може зрівнятися з домішковою або навіть значно перевершити її. Чим вище концентрація домішок, тим за більш високих температур буде наступати цей ефект.

Розрив зв'язків може здійснюватися за рахунок опромінення напівпровідника, наприклад, світлом, якщо енергія світлових квантів достатня для розриву зв'язків. Енергія розриву зв'язків у різних напівпровідників різна, тому вони по-різному реагують ті чи інші ділянки спектра опромінення.

Як основні напівпровідникові матеріали використовують кристали кремнію і германію, а в ролі домішок - бір, фосфор, індій, миш'як, сурму і багато інших елементів, що повідомляють напівпровідникам необхідні властивості. Отримання напівпровідникових кристалів із заданим вмістом домішок - найскладніший технологічний процес, що проводиться в особливо чистих умовах з використанням високої точності та складності обладнання.

Всі перелічені найважливіші властивості напівпровідників використовуються для створення найрізноманітніших за своїм призначенням та областями застосування напівпровідникових приладів. У техніці широко використовуються діоди, транзистори, тиристори та багато інших напівпровідникових приладів. Застосування напівпровідників почалося порівняно недавно, а сьогодні вже важко перерахувати всі їхні «професії». Вони перетворюють світлову та теплову енергію на електричну і, навпаки, за допомогою електрики створюють теплоту і холод (див. Геліоенергетика). Напівпровідникові прилади можна зустріти у звичайному радіоприймачі та в квантовому генераторі - лазері, в крихітній атомній батареї та в мініатюрних блоках електронної обчислювальної машини. Інженери не можуть сьогодні обходитися без напівпровідникових випрямлячів, перемикачів та підсилювачів. Заміна лампової напівпровідникової апаратури дозволила в десятки разів зменшити габарити і масу електронних пристроїв, знизити споживану ними потужність і різко збільшити надійність.

Про це можна прочитати у статті Мікроелектроніка.