§3 Собственная проводимость полупроводников

 

  • Внутренняя структура полупроводников.

            К полупроводникам относится большое количество веществ, которые занимают по своим электрическим свойствам промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Для полупроводников j=1 2¸ 10-8 См/м ( j - удельная электропроводимость ). Для проводников j = 1 4¸103См/м; для диэлектриков j < 10-12 См/м. Важнейшим свойством и признаком полупроводников является зависимость их электрических свойств от внешних условий Т, Е, р и т.д. Характерная особенность полупроводников заключается в уменьшении их удельного сопротивления с увеличением температуры. Для полупроводников характерно кристаллическое строение с ковалентной связью между атомами.

  • Собственная проводимость полупроводников.

            Под действием внешних факторов некоторые валентные электроны атомов приобретает энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей.

 

 

 

 

 

 

 

 Выход из ковалентной связи электрона на энергетической диаграмме соответствует переходу из валентной зоны в зону проводимости. При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает как бы свободное место, обладающее элементарным положительным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона. Такое освободившееся в электронной связи место условно назвали дыркой, а процесс образования пары получил название генерация зарядов. Дырка, обладая положительны зарядом, присоединяет к себе электрон соседней заполненной ковалентной связи. В результате этого восстанавливается одна связь (этот процесс называется рекомбинацией) и разрушается соседняя. Тогда можно говорить о перемещении положительного заряда - дырки по кристаллу. Если на кристалл действует электрическое поле, движение электронов и дырок становится упорядоченным и в кристалле возникает электрический ток. При этом дырочную проводимость называют проводимостью р-типа (positive - положительный), а электронную проводимостью n-типа (negative - отрицательной).

            В химически чистом кристалле полупроводник (число примесей 1016м-3), число дырок всегда равно числу свободных электронов и электрический ток в нем образуется в результате одновременного переноса заряда обоих знаков. Такая электронно-дырочная проводимость называется собственной проводимостью полупроводника.

j = jn + jp

j - плотность тока электронов (n) и дырок (р).

            В собственном полупроводнике уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны. Так как энергия активации, равная ширине запрещенной зоны идет на перевод электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости и одновременно на появление дырки в валентной зоне. Т.е. энергия, затраченная на образование пары носителей тока делится на две равные части, и таким образом начало отсчета для каждого из этих процессов (переход электрона на рождение дырки) должно находится в середине запрещенной зоны.

            Количество электронов, перешедших в зону проводимости и количество образовавшихся дырок ~

таким образом, удельная проводимость собственных полупроводников

γ - постоянная, определяемая видом вещества.

Т.е. с увеличением Т γ увеличивается, так как с точки зрения зонной теории возрастает число электронов, которые в следствии теплового возбуждения переходят в зону проводимости.

,

т.е.

По наклону линии lnγ можно определить ширину запрещенной зоны DE.

 

§4 Примесная проводимость полупроводников

В полупроводниках, содержащих примесь, электропроводимость слагается из собственной и примесной.

            Проводимость, вызванная присутствием в кристалле полупроводника примесей из атомов с иной валентностью называется примесной. Примеси, вызывающие в полупроводнике увеличение свободных электронов, называются донорными, а вызывающие увеличение дырок - акцепторными.

 

 

 

 

 

 

            Различное действие примесных атомов объясняется следующим образом. Предположим, что в кристалл германия (Ge4+) атомы которого имеют 4 валентных электрона, введем пятивалентный мышьяк As5+. В этом случае атомы мышьяка своими 4-я из пяти валентными электронами вступают в связь. 5-й валентный электрон мышьяка окажется не связанным, т.е. становится свободным электроном. Полупроводник, электропроводимость которых повысилась благодаря образованию избытка свободных электронов при введении примеси, называются полупроводниками с электронной проводимостью (полупроводник n-типа), а примесь донорной (отдающей электрон).

 

 

 

 

 

 

Введение в 4-х валентный полупроводник 3-х валентного элемента, например (In3+) индия  приводит, наоборот, к избытку дырок над свободными электронами. В этом случае ковалентные связи не будут полностью завершены и образовавшиеся дырки могут перемещаться по кристаллу, создавая дырочную проводимость. Полупроводники, электропроводимость которых обусловлена в основном движением дырок, называется полупроводниками с дырочной проводимостью или полупроводниками р-типа, а примесь - акцепторной (захватывающие электрон из ковалентной связи или из валентной зоны). Энергетические уровни этих примесей называются акцепторными уровнями - расположены над валентной зоной.

            Энергетические уровни донорных примесей называются донорными уровнями - расположены под нижним уровнем зоны проводимости.

            В примесных полупроводниках носители заряда бывают основными (электроны в проводнике n-типа) и не основными (дырки в полупроводнике р-типа, электроны в полупроводнике n-типа).

            Наличие примесных уровней в полупроводниках существенно изменяет положение уровня Ферми ЕF. В полупроводнике n-типа при Т = 0 К ЕF расположен посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем. С возрастанием Т все большее число электронов переходит с донорного уровня в зону проводимости, но из-за теплового возбуждения часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости. Поэтому с возрастанием Т уровень Ферми смещается вниз к середине запрещенной зоны.

            У полупроводников р-типа при Т = 0 К, ЕF  посередине между акцепторным уровнем и потолком валентной зоны. С возрастанием Т ЕF смещается к середине запрещенной зоны.

            Зависимость проводимости полупроводников от температуры имеет вид, показанный на рисунке (подробнее смотрите лабораторную работу 8.6.).

 

 

галлия

  

К списку лекций

Главная