Полупроводниками называют вещества, удельное сопротивление которых является промежуточным между проводниками и диэлектриками (10~6 Ом*м р 108 Ом*м). Характерной их особенностью является сильная зависимость сопротивления от. строения вещества, вида и количества примесей и внешних условий (температура, действие света, электрические и магнитные поля и др.).
К полупроводникам относится большая группа химических элементов (германий, кремний, бор, фосфор, мышьяк, селен и др.), оксиды металлов (алюминия, титана, меди, цинка, бора и др.), сернистые соединения (сульфиды кадмия, цезия, меди, олова и др.), некоторые сплавы металлов.
Полупроводники применяют для изготовления различных полупроводниковых приборов. В качестве исходного материала используется преимущественно кремний, германий, арсенид галлия, фосфид галлия, карбид кремния.
Как известно, хорошая проводимость металлических проводников объясняется наличием в них свободных электронов, которые практически не связаны с атомами кристаллической решетки металла и могут перемещаться в любом направлении. В чистом же, без примесей, полупроводнике почти все электроны атомов в обычных условиях (комнатная температура, отсутствие сильных электрических и магнитных полей, радиоактивного излучения, сильного освещения) связаны с ядрами. (Исключение составляет небольшое количество электронов, связи которых с ядрами атомов и в этих условиях оказываются нарушенными.) В атомах слабее других связаны с ядрами электроны внешних оболочек. Поэтому их легче оторвать, т. е. разрушить эту связь.
Атомы кремния и германия являются четырехвалентными, содержат по четыре электрона на внешней оболочке. При их помощи каждый атом связан с четырьмя соседними атомами. В случае отрыва электрона от атома в результате нагрева, воздействия света, радиоактивного излучения, действия электрического или магнитного полей или по другим причинам появляется не связанный с атомом свободный электрон и образуется вакантное место в связи между атомами, называемое дыркой. Образование дырки равнозначно появлению положительного заряда, равного заряду электрона.
Появившиеся в результате нарушения связей между атомами полупроводника электроны и дырки являются подвижными носителями заряда в полупроводнике. Движение свободных электронов является хаотическим. Одновременно наблюдаются переходы электронов соседних атомов на вакантные места в связях между атомами, т. е. переходы электронов на расстояния, равные расстоянию между атомами. Таким переходам электронов соответствуют перемещения дырок в противоположном направлении. Следовательно, можно говорить о движении дырок. Соответственно различают электронную проводимость полупроводника, вызванную перемещением свободных электронов, и дырочную, связанную с движением дырок. Электрическое поле в полупроводнике вызывает перемещение в нем как дырок, так и электронов. Ток in, вызванный движением электронов, называют электронным, ток ip, связанный с перемещением дырок,— дырочным.
В чистом, без каких-либо примесей, полупроводнике число свободных электронов и дырок всегда одинаково, так как каждый отрыв электрона сопровождается образованием дырки. Электрический ток возникает в равной мере как в результате движения отрицательных зарядов — электронов, так и вследствие перемещения эквивалентных положительным зарядам носителей заряда, называемых дырками. Токи 4 и ip в таком полупроводнике одинаковы по величине. При обычных условиях количество электронов и дырок в единице объема полупроводника мало по сравнению с количеством атомов, токи in и ip имеют небольшую величину. Проводимость чистого полупроводника называют собственной, она является низкой. t
Свойства полупроводника сильно изменяются, когда в кристалл чистого полупроводника добавляют примеси, обычно в виде небольшого количества атомов других элементов. Различают до-норные примеси — их атомы отдают электроны, в полупроводнике образуется избыток электронов, возникает электронная проводимость, и акцепторные — принимающие от атомов основного полупроводника электроны, обусловливающие избыток дырок. Атомы донорной примеси содержат больше электронов во внешней оболочке, чем атомы основного полупроводника, а атомы акцепторной примеси — меньше.
Если в кремний внедряют трехвалентные атомы акцепторной примеси, например индия; то три электрона каждого атома примеси образуют связи с тремя соседними атомами кремния. Связь с четвертым атомом отсутствует, имеется вакантное место в связи, являющееся дыркой. Введение пятивалентных атомов примеси, например атомов мышьяка, приводит к появлению избыточного электрона в каждом атоме примеси, который не участвует в образовании связи между атомами кристалла.
Подвижными носителями заряда в примесном полупроводнике являются электроны и дырки собственного полупроводника, число их в единице объема полупроводника является небольшим, они выступают в качестве неосновных носителей заряда, и электроны или дырки, в зависимости от вида примеси, содержащиеся в гораздо большем количестве, которые являются основными носителями заряда в полупроводнике. Полупроводники с дырочной проводимостью называют полупроводниками р-типа (первая буква английского слова positive — положительный), а полупроводники с электронной проводимостью — полупроводниками л-типа (negative — отрицательный).
Направление движения подвижных носителей заряда в полупроводнике и направление тока в нем определяются полярностью приложенного к кристаллу полупроводника напряжения. Сила тока в полупроводнике данного типа зависит от величины приложенного напряжения, но не зависит от его полярности.
