как движутся дырки по отношению к электронам
Электроны и дырки
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Полупроводниковые материалы имеют кристаллическую структуру. При низкой температуре большинство внешних электронов в полупроводнике находятся в атомах на своих местах и полупроводник плохо проводит ток. Но связаны электроны с атомами слабее, чем в диэлектрике. При росте температуры, сопротивление полупроводников падает, то есть проводимость полупроводника в отличии от металлов при нагревании увеличивается. Иначе говоря, при нагревании в полупроводнике увеличивается количество свободных электронов, тем самым увеличивая способность проводить электрический ток. Этот эффект называют электронной проводимостью полупроводника.
В чистом полупроводнике, проводимость которого обусловлена тепловым возбуждением, при приложении потенциала, одинаковое число электронов и дырок движется в разных направлениях. При добавлении в полупроводник атомов легко отдающих электроны, в полупроводнике превалирует электронная проводимость и сопротивление электрическому току резко падает. Такой полупроводник называют полупроводником n-типа.
Аналогично, при легировании материалами, способными захватывать лишние электроны, получают полупроводник p-типа.
Поскольку энергия рекомбинации равна величине энергетического барьера, излучение происходит в узкой области спектра. Поэтому все светодиоды излучают монохроматическое излучение. Белые (полихромные) светодиоды в своей основе имеют также монохроматические светодиодные чипы.
Сначала полупроводниковые приборы делали «гомопереходными», в них p-n- переход возникал в полупроводнике одного базового вещества. Но вскоре появилась устройства, в которых такой переход создавался на границе двух различных полупроводников. В результате, появилась возможность создать полупроводниковые приборы меньшего размера и с большей эффективностью. Так, первые «гомопереходные» полупроводниковые светодиоды могли работать только при температуре жидкого азота, а «гетеропереходные» работают и при комнатной температуре.
При выборе материалов для изготовления светодиодов, существенными становятся оптические свойства полупроводников. Материал одного из компонентов должен быть прозрачным или чрезвычайно тонким, а граница или второй материал должен хорошо отражать свет в области излучаемого спектра. Наряду с квантовым выходом, это наиболее важные условия увеличения эффективности светодиодов.
Электричество и магнетизм, основные определения, типы движущихся заряженных частиц
В основу «учения о магнетизме», как и большинства других дисциплин, положены очень немногочисленные и довольно простые понятия. Они достаточно просты по крайней мере с точки зрения того, «что они собой представляют», хотя несколько труднее объяснить, «почему они таковы». Принятые однажды как таковые, они могут использоваться в качестве основных строительных блоков для развития всей изучаемой дисциплины. В то же время они служат ориентирами при попытках объяснять наблюдаемые явления.
Во-первых, есть такое понятие, как «электрон». Электроны не просто существуют — их бессчетные количества присутствуют везде, куда бы мы ни бросили взгляд.
Электрон представляет собой объект с ничтожно малой массой, несущий единичный отрицательный электрический заряд и вращающийся относительно своей оси с некоторой постоянной скоростью. Одним из проявлений движения электронов являются электрические токи; иными словами, электрические токи «переносятся» электронами.
В-третьих, согласно представлениям Ампера любой движущийся электрон окружен магнитным полем. Поскольку электроны с собственным вращением — это движущиеся электроны, вокруг каждого электрона, обладающего спином, создается магнитное поле. Вследствие этого каждый электрон действует как микроминиатюрный постоянный магнит.
В-четвертых, согласно представлениям Лоренца на электрический заряд, движущийся в магнитном поле, действует определенная сила. Она является результатом взаимодействия внешнего поля и поля Ампера.
Наконец, вещество сохраняет свою целостность в пространстве благодаря силам притяжения между частицами, электрическое поле которых порождается их электрическим зарядом, а магнитное поле — их спином.
Все магнитные явления можно объяснить, исходя из движения частиц, обладающих как массой, так и электрическим зарядом. К возможным типам таких частиц относятся следующие:
Электрон представляет собой электрически заряженную частицу весьма малых размеров. Каждый электрон во всех отношениях идентичен любому другому электрону.
1. Электрон имеет отрицательный единичный заряд и ничтожно малую массу.
2. Масса всех электронов всегда остается постоянной, хотя кажущаяся масса подвержена изменениям в зависимости от условий окружающей среды.
3. Все электроны вращаются вокруг собственной оси — имеют спин с одной и той же постоянной угловой скоростью.
1. Дыркой называют определенное положение в кристаллической решетке, где мог бы находиться, но в данных условиях отсутствует электрон. Таким образом, дырка имеет положительный единичный заряд и ничтожно малую массу.
2. Движением дырки вызывается движение электрона в противоположном направлении. Следовательно, дырка имеет точно такую же массу и такой же спин, как и электрон, движущийся в противоположную сторону.
Протон — это частица, значительно превышающая по размерам электрон и обладающая электрическим зарядом, который в точности равен по абсолютной величине заряду электрона, но имеет противоположную полярность. Понятие противоположной полярности определяется следующими противоположными явлениями: электрон и протон испытывают по отношению один к другому силу притяжения, тогда как два электрона или два протона отталкиваются один от другого.
В соответствии с соглашением, принятым в экспериментах Бенджамина Франклина, заряд электрона считают отрицательным, а заряд протона — положительным. Поскольку все другие электрически заряженные тела несут электрические заряды либо положительные, либо отрицательные, значения которых всегда являются в точности кратными заряду электрона, последний используют в качестве «единичного значения» при описании данного явления.
1. Протон представляет собой ион с положительным единичным зарядом и единичной молекулярной массой.
2. Положительный единичный заряд протона точно совпадает по абсолютной величине с отрицательным единичным зарядом электрона, однако масса протона во много раз превышает массу электрона.
3. Все протоны вращаются вокруг собственной оси (имеют спин) с одной и той же угловой скоростью, которая намного меньше, чем угловая скорость вращения электронов.
1. Положительные ионы обладают различными зарядами, значения которых являются целыми, кратными заряду протона, и различными массами, значения которых состоят из целого, кратного массе протона, и некоторой дополнительной массы субатомных частиц.
2. Только ионы с нечетным числом нуклонов обладают спином.
3. Ионы с разными массами вращаются с разными угловыми скоростями.
1. Существуют разновидности отрицательных ионов, совершенно аналогичные положительным ионам, но несущие отрицательный, а не положительный заряд.
Любые из указанных частиц в любых сочетаниях могут двигаться по различным прямолинейным или криволинейным траекториям с различными скоростями. Совокупность одинаковых частиц, движущихся более или менее единой группой, называют пучком.
Каждая частица в пучке имеет массу, направление и скорость движения, близкие к соответствующим параметрам соседних частиц. Однако при более общих условиях скорости отдельных частиц пучка различаются, подчиняясь закону распределения Максвелла.
Доминирующую роль для возникновения магнитных явлений при этом играют частицы, скорость которых близка к средней скорости пучка, а частицы с другими скоростями порождают эффекты второго порядка.
Если основное внимание уделяется именно скорости движения частиц, то частицы, движущиеся с высокой скоростью, называют горячими, а частицы, движущиеся с низкой скоростью — холодными. Эти определения являются относительными, т. е. не отражают каких-либо абсолютных скоростей.
Основные законы и определения
Имеется два различных определения магнитного поля: магнитное поле — это область в окрестности движущихся электрических зарядов, где проявляются магнитные силы. Любая область, в которой электрически заряженное тело испытывает действие силы при своем движении, содержит магнитное поле.
Если множество малых электрически заряженных частиц непрерывно проходит через один и тот же участок траектории с постоянной скоростью, то суммарный эффект от отдельных движущихся магнитных полей каждой частицы сводится к образованию постоянного магнитного поля, известного под названием поля Био-Савара.
Частный случай закона Ампера, получивший название закона Био-Савара, определяет величину напряженности магнитного поля на заданном расстоянии от бесконечно длинного прямолинейного проводника, по которому течет электрический ток (закон Био-Савара).
Итак, магнитное поле имеет определенную напряженность. Чем больше движущийся электрический заряд, тем сильнее результирующее магнитное поле. Кроме того, чем быстрее движется электрический заряд, тем сильнее магнитное поле.
Неподвижный электрический заряд не порождает никакого магнитного поля. Фактически магнитное поле не может существовать независимо от наличия движущегося электрического заряда.
Закон Лоренца определяет силу, действующую на движущуюся электрически заряженную частицу в магнитном поле. Сила Лоренца направлена перпендикулярно и направлению внешнего поля, и направлению движения частицы. Возникает «боковое усилие», действующее на заряженные частицы, когда они движутся под прямым углом к магнитным силовым линиям.
Тело с «магнитным зарядом», находящееся во внешнем магнитном поле, испытывает действие силы, которая стремится переместить тело из положения, в котором оно усиливает внешнее поле, в такое положение, в котором оно ослабляло бы внешнее поле. В этом проявляется следующий принцип: все системы стремятся прийти в состояние, характеризующееся минимальной энергией.
Правило Ленца гласит: «Если траектория движущейся заряженной частицы изменяется каким бы то ни было образом в результате взаимодействия частицы с магнитным полем, то эти изменения приводят к возникновению нового магнитного поля, прямо противоположного тому магнитному полю, которое вызвало эти изменения».
Способность соленоида создавать магнитный поток, «текущий» по магнитной цепи, зависит как от числа витков проволоки, так и от тока, текущего в них. Оба фактора приводят к возникновению магнитодвижущей силы, или сокращенно МДС. Постоянные магниты могут создавать аналогичную магнитодвижущую силу.
Магнитодвижущая сила заставляет магнитный поток течь в магнитной цепи точно так же, как электродвижущая сила (ЭДС) обеспечивает течение электрического тока в электрической цепи.
Магнитные цепи в некотором отношении аналогичны, электрическим цепям, хотя в электрических цепях происходит реальное движение заряженных частиц, а в магнитных цепях такого движения нет. Действие электродвижущей силы, порождающей электрический ток, описывается законом Ома.
Напряженность магнитного поля — это магнитодвижущая сила, приходящаяся на единицу длины соответствующей магнитной цепи. Магнитная индукция, или плотность потока, равна магнитному потоку, проходящему через единичную площадь данной магнитной цепи.
Магнитное сопротивление — это характеристика конкретной магнитной цепи, определяющая ее способность проводить магнитный поток в ответ на действие магнитодвижущей силы.
Электрическое сопротивление Ома прямо пропорционально длине пути потока электронов, обратно пропорционально площади поперечного сечения этого потока и также обратно пропорционально удельной электрической проводимости — характеристике, описывающей электрические свойства вещества, из которого состоит токонесущая область пространства.
Электроны и «дырки»
Чистые полупроводники являются относительно хорошими диэлектриками по сравнению с металлами, хотя и не настолько хорошими, как настоящий диэлектрик, например, стекло. Чтобы быть полезным в полупроводниковых применениях, собственный полупроводник (чистый нелегированный полупроводник) должен иметь не более одного атома примеси на 10 миллиардов атомов полупроводника. Это аналогично крупинке соли в железнодорожном вагоне сахара. Нечистые, или грязные полупроводники являются значительно более проводящими, хотя и такими хорошими, как металлы. Почему так происходит? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны рассмотреть электронную структуру этих материалов на рисунке ниже.
Рисунок ниже (a) показывает 4 электрона в валентной оболочке полупроводника, образующих ковалентные связи с четырьмя другими атомами. Это плоская, более простая для рисования, версия рисунка, приведенного ранее. Все электроны атома связаны в четырех ковалентных связях, в парах общих электронов. Электроны не могут свободно перемещаться по кристаллической решетке. Таким образом, собственные, чистые, полупроводники являются относительно хорошими диэлектриками по сравнению с металлами.
(a) Собственный полупроводник является диэлектриком, имеющим полную электронную оболочку.
(b) Тем не менее, тепловая энергия может создать несколько пар электрон-дырка, что в результате даст слабую проводимость.
Тепловая энергия иногда может освобождать электрон из кристаллической решетки, как показано на рисунке выше (b). Этому электрону становится доступно передвижение по кристаллической решетке. Когда электрон освобождается, он оставляет в кристаллической решетке пустое место с положительным зарядом, известное как дырка. Эта дырка не прикреплена к решетке и может свободно по ней перемещаться. Свободные электрон и дырка вносят свой вклад в движение электронов по кристаллической решетке. То есть, электрон свободен, пока он не попадает в дырку. Это явление называется рекомбинацией. При воздействии на полупроводник внешним электрическим полем электроны и дырки разводятся в противоположных направлениях. Увеличение температуры увеличит и количество электронов и дырок, что в свою очередь уменьшит сопротивление. Это противоположно поведению металлов, у которых сопротивление увеличивается с ростом температуры за счет увеличения столкновений электронов с кристаллической решеткой. Количество электронов и дырок в собственном полупроводнике одинаково. Тем не менее, оба носителя при воздействии внешнего поля необязательно будут двигаться с одинаковой скоростью. Другими словами, подвижность у электронов и дырок неодинакова.
Чистые полупроводники, сами по себе, не особенно полезны. Хотя полупроводники и должны быть в большой степени очищены от примесей для создания отправной точки перед добавлением определенных примесей.
В материал полупроводника, с долей содержания примесей 1 к 10 миллиардам, для увеличения количества носителей могут добавляться определенные примеси в соотношении примерно 1 часть на 10 миллионов. Добавление в полупроводник необходимой примеси известно, как легирование. Легирование увеличивает проводимость полупроводника, и, таким образом, он становится более сопоставим с металлом, а не с диэлектриком.
Можно увеличить количество отрицательно заряженных носителей в кристаллической решетке полупроводника путем легирования таким электронным донором, как фосфор. Электронные доноры, также известные, как примеси N-типа, включают в себя элементы группы VA (группы 15 по IUPAC) периодической таблицы: азот, фосфор, мышьяк и сурьма. Азот и фосфор являются примесью N-типа для алмаза. Фосфор, мышьяк и сурьма используются совместно с кремнием.
Кристаллическая решетка на рисунке ниже (b) содержит атомы, содержащие четыре электрона во внешней оболочке, формирующих ковалентные связи с соседними атомами. Эта кристаллическая решетка ожидаема. Добавление атома фосфора с пятью электронами во внешней оболочке вводит в решетку дополнительный электрон по сравнению с атомом кремния. Пятивалентная примесь образует четыре ковалентные связи с четырьмя атомами кремния с помощью четырех из пяти электронов, встраиваясь в решетку с одним электроном в запасе. Обратите внимание, что этот лишний электрон не сильно привязан к решетке, как электроны обычных атомов Si. Будучи не привязанным к узлу фосфора в кристаллической решетке, он свободен для перемещения по ней. Так как мы легировали одну часть фосфора на 10 миллионов атомов кремния, то по сравнению с многочисленными атомами кремния было создано лишь несколько свободных электронов. Тем не менее, по сравнению с немногочисленными парами электрон-дырка в собственном полупроводнике, в этом случае было создано достаточно много электронов.
(a) Конфигурация электронов внешней оболочки донора N-типа фосфора, кремния (для сравнения) и акцептора P-типа бора.
(b) Примесь донора N-типа создает свободный электрон.
(c) Примесь акцептора P-типа создает дырку, положительно заряженный носитель.
Кроме того, можно вводить примеси, у которых, по сравнению с кремнием, не хватает электрона, то есть, которые имеют три электрона в валентной оболочке, по сравнению с кремнием с четырьмя валентными электронами. На рисунке выше (c) они оставляют пустое место, известное как дырка, положительно заряженный носитель. Атом бора пытается связаться с четырьмя атомами кремния, но в валентной зоне имеет только три электрона. В попытке сформировать четыре ковалентные связи три его электрона двигаются вокруг, пытаясь образовать четыре связи. Это заставляет двигаться появляющуюся дырку. Кроме того, трехвалентный атом может занимать электрон от соседнего (или более отдаленного) атома кремния, чтобы сформировать четыре ковалентные связи. Однако это оставляет атом кремния с нехваткой одного электрона. Другими словами, дырка перемещается к соседнему (или более отдаленному) атому кремния. Дырки располагаются в валентной зоне, уровнем ниже зоны проводимости. Легирование электронным акцептором, атомом, который может принять электрон, создает дефицит электронов и избыток дырок. Так как дырки являются носителями положительного заряда, примесь электронного акцептора также известна, как примесь P-типа. Легирующая примесь P-типа оставляет полупроводник с избытком дырок, носителей положительного заряда. Элементы P-типа из группы IIIA (группы 13 по IUPAC) периодической таблицы включают в себя: бор, алюминий, галлий и индий. Бор используется в качестве легирующей примеси P-типа для полупроводников кремний и алмаз, в то время как индий используется с германием.
Подобно «шарику в трубе» передвижение электронов (рисунок ниже) зависит от движения дырок и движения электронов. Шарик представляет собой электроны в проводнике, в трубе. Движение электронов слева направо в проводнике или полупроводнике N-типа объясняется входом электрона в трубу слева, заставляя выйти электрон справа. Передвижение электронов в полупроводнике N-типа происходит в зоне проводимости. Сравните это с движением дырок в валентной зоне.
Аналогия с шариком в трубе:
(a) Электроны двигаются вправо в зоне проводимости.
(b) Дырки двигаются вправо в валентной зоне, в то время как электроны двигаются влево.
Чтобы дырка вошла в левой части рисунка выше (b), электрон должен быть удален. При перемещении дырки слева направо электрон должен двигаться справа налево. Первый электрон выбрасывается из левого конца трубы, чтобы дырка могла двигаться вправо в трубу. Электрон двигается в направлении, противоположном движению положительных дырок. Чтобы дырка двигалась дальше вправо, электроны должны перемещаться влево, заполняя дырку. Дырка – это отсутствие электрона в валентной зоне за счет легирования P-типа. Она имеет локальный положительный заряд. Чтобы переместить дырку в заданном направлении, валентные электроны двигаются в противоположном направлении.
Поток электронов в полупроводнике N-типа аналогичен движению электронов в металлическом проводе. Атомы примеси N-типа дадут электроны, доступные для передвижения. Эти электроны из-за легирующей примеси известны, как основные носители, так как они находятся в большинстве, по сравнению с немногочисленными тепловыми дырками. Если к пластине полупроводника N-типа приложить электрическое поле (рисунок ниже (a)), электроны перейдут в отрицательный (левый) конец пластины, пройдут кристаллическую решетку и выйдут справа к клемме (+) батареи.
(a) Полупроводник N-типа с электронами, перемещающимися через кристаллическую решетку слева направо.
(b) Полупроводник P-типа с дырками, перемещающимися слева направо, что соответствует движению электронов в противоположном направлении.
Объяснить протекание тока в полупроводнике P-типа немного сложнее. Примесь P-типа, акцептор электронов, придает локальным областям положительный заряд, известный как дырки. Эти дырки и являются основными носителями в полупроводнике P-типа. Хотя дырки и образуются в местах трехвалентных атомов примеси, они могут перемещаться по пластине полупроводника. Обратите внимание, что включение батареи на рисунке выше (b) противоположно включению на рисунке (a). Положительный вывод батареи подключен к левому концу пластины P-типа. Поток электронов выходит из отрицательного вывода батареи и через пластину P-типа возвращается к положительному выводу батареи. Электрон покидает положительный (левый) конец пластины полупроводника, чтобы положительный вывод батареи оставил дырку в полупроводнике, которая может двигаться вправо. Дырки проходят через кристаллическую решетку слева направо. В отрицательном конце пластины электрон из батареи соединяется с дыркой, нейтрализуя её. Это дает возможность другой дырке в положительном конце пластины двигаться вправо. Имейте в виду, что когда дырки перемещаются слева направо, это на самом деле электроны двигаются в противоположном направлении, что и делает видимым движение дырок.
Элементы, используемые для производства полупроводников, приведены на рисунке ниже. Полупроводниковый материал германий из группы IVA (14 по IUPAC) сейчас используется довольно ограничено. Полупроводники на основе кремния составляют около 90% всего промышленного производства полупроводников. Полупроводники на основе алмаза сейчас широко исследуются и обладают значительным потенциалом. Составные полупроводники включают в себя кремний-германий (тонкие слои на пластинах Si), карбид кремния и соединения групп III-V, например, арсенид галлия. Полупроводниковые соединения групп III-VI включают в себя AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, AlxGa1-xAs и InxGa1-xAs. Столбцы II и VI периодической таблицы, не показанные на рисунке, также формируют составные полупроводники.
Группа IIIA – примеси P-типа, группа IV – основные полупроводниковые материалы, и группа VA – примеси N-типа.
Основной причиной включения групп IIIA и VA на рисунок выше является возможность показать примеси, используемые с группой полупроводников IVA. Элементы группы IIIA являются акцепторами, примесями P-типа, которые принимают электроны, оставляя дырки (положительные носители) в кристаллической решетке. Бор является примесью P-типа для алмаза и самой распространенной примесью для кремниевых полупроводников. Индий является примесью P-типа для германия.
Элементы группы VA являются донорами, примесями N-типа, дающими свободный электрон. Азот и фосфор подходят в качестве примеси N-типа для алмаза. Фосфор и мышьяк являются наиболее используемыми примесями N-типа для кремния, хотя может использоваться и сурьма.
Итоги
Собственные полупроводники, максимальная доля примеси в которых составляет 1 на 10 миллиардов, являются плохими проводниками.
Полупроводник N-типа легируется пятивалентной примесью, чтобы создать свободные электроны. Такой материал является проводящим. Электрон в нем является основным носителем.
Полупроводник P-типа, легированный трехвалентной примесью, имеет множество свободных дырок. Это носители положительного заряда. Материал P-типа является проводящим. Дырки в нем являются основными носителями.
Большинство полупроводников основаны на элементах из группы IVA периодической таблицы. Причем кремний является наиболее распространенным, германий устарел, а углерод (алмаз) в настоящее время исследуется.
Широко используются и составные полупроводники, такие как карбид кремния (группа IVA) и арсенид галлия (группа III-V).