Здавалка
Главная | Обратная связь

Провідність напівпровідників



Характерною особливістю напівпровідників є сильна зміна їхнього питомого опору під дією електричного поля, опромінення світлом або іонізованими частинками, а також при внесенні в напівпровідник до­мішки або внаслідок його нагрівання. При нагріванні питомий опір провідників збільшується, а напівпровідників і діелектриків — змен­шується. Це свідчить про різний характер провідності названих ма­теріалів.

Щоб з'ясувати характер провідності напівпровідників, розглянемо деякий об'єм ідеальних (з суворо впорядкованим розташуванням ато­мів у вузлах) кристалічних ґраток германію — елемента IV групи пе­ріодичної системи елементів Менделєєва. На рис. об'­ємні кристалічні ґратки германію, елементарною геометричною фігурою яких є тетраедр, зображені у вигляді площинних ґраток. У про­цесі формування кристала атоми германію розташовуються у вузлах кристалічних ґраток і зв'язані з іншими атомами за допомогою чоти­рьох валентних електронів. Подвійні лінії між вузлами ґраток умов­но зображують ковалентний зв'язок між кожною парою електронів, що належать двом різним атомам.

Сукупність енергетичних рівнів валентних електронів ідеального кристала зображує на енергетичній діаграмі валентну зону (рис. ). При нульовій абсолютній температурі і при відсутності домішків у кристалі всі валентні електрони беруть участь в між­атомних зв'язках, інакше кажучи, заповнюють всі енергетичні рівні у валентній зоні, а зона провідності вільна.

Валентну зону з енергією електрона на її верхній межі Еu - і зону провідності з енергією електрона на її нижній межі Ес розділяє заборонена зона шириною DЕ = Ес — Еu. Для германію і кремнію ширина забороненої зони дорівнює відповідно 0,72 еВ і 1,12 еВ. Тому, щоб перевести електрон в зону провідності, необхідне додаткове джерело енергії, яка дорівнює (або перевищує) енергії забороненої зони. Таким джерелом може бути теплота навко­лишнього середовища.

При температурі, вищій за абсолютний нуль, частина електронів розриває ковалентні зв'язки і переходить у зону провідності, звільню­ючи енергетичні рівні у валентній зоні. Вакантний енергетичний рі­вень у валентній зоні називають діркою провідності, яка в електричному і магнітному полях поводить себе як частинка з позитивним за­рядом, що дорівнює заряду електрона. Цей процес утворення пар електрон—дірка називається генерацією пар носіїв заряду.

Під дією теплової енергії електрони в зоні провідності, як і дірки у валентній зоні, перебувають у хаотичному тепловому русі. При цьому можливий процес захоплення електронів зони провідності дірками валентної зони. Такий процес зникнення пар електрон—дірка називається рекомбінацією. Число актів рекомбінації пропорційне кон­центрації носіїв заряду.

Якщо до кристала прикласти зовнішнє електричне поле, то рух електронів і дірок набуває певної напрямленості. Таким чином, при температурі, вищій за абсолютний нуль, кристал набуває властивості проводити електричний струм. Провідність кристала тим більша, чим інтенсивніший процес генерації пар електрон—дірка, і визначається рухом обох видів носіїв заряду — електронів і дірок. Густина струму при цьому

,

де jn і jP— густина електронного і діркового струмів відповідно.

Така провідність називається власною провідністю, а бездомішкові напівпровідники — напівпровідниками з власною про­відністю або напівпровідниками типу і. Власна провідність звичайно невелика. Причому як електронна, так і діркова провідності обумов­лені рухом у напівпровіднику лише електронів. Однак у першому ви­падку рухаються електрони, енергія яких відповідає енергетичним рівням зони провідності, в напрямі, протилежному напряму електрич­ного поля. В другому випадку переміщуються електрони валентної зони, заповнюючи вакантні енергетичні рівні (дірки), в напрямі, про­тилежному переміщенню дірок.

Концентрація електронів (і дірок) у власному напівпровіднику при кімнатний температурі дорівнює: для германию 2×1013 см -3 і для кремнію 1,4×1010 см -3 при густині атомів кристалічних ґраток обох елементів 5×1022 см -3.

Кристал германію, в який внесено домішки елементів III або V групи таблиці Менделєєва, називається домішковим напівпровід­ником. Домішкові напівпровідники мають значно більшу провідність порівняно з напівпровідниками з власною провідністю.

При внесенні в попередньо очищений германій домішки п'ятивалентного елемента (наприклад, арсену) атоми домішки заміщують у вузлах кристалічних ґраток атоми германію. При цьому чотири ва­лентних електрони атома арсену, об'єднавшись з чотирма електронами сусідніх атомів германію, налагоджують тетраедричну систему кова­лентних зв'язків (рис. ), п'ятий електрон виявляється надлишко­вим. Енергетичний рівень Ед домішки лежить у забороненій зоні по­близу дна зони провідності (рис. ). Тому вже при кімнатній тем­пературі надлишкові електрони набувають енергії, що дорівнює дуже невеликій енергії їх зв'язку з атомами домішки (DЕдсд) і переходять у зону провідності. Таким чином, у вузлах кристалічних ґраток германію, де знаходяться атоми домішки, створюються пози­тивно заряджені іони (на рис. зображені три таких позитивних іони у вигляді прямокутників), а в об'ємі кристала переміщуються над­лишкові електрони з енергією зони провідності. Якщо електрони, що звільнилися, знаходяться поблизу своїх іонів, то мікрооб'єм залиша­ється електронейтральним. Якщо електрони залишають мікрооб'єм, то в ньому створюється позитивний об'ємний заряд.

Оскільки D Ед <<DЕ , то кількість електронів, що переходять під дією теплової або іншого виду енергії в зону провідності з домішкового рівня, значно перевищує кількість електронів, що переходять у зону провідності з валентної зони і брали участь у генерації пар електрон— дірка. Отже, число електронів у кристалі при внесенні п'ятивалентної домішки перевищує число дірок. Такий напівпровідник має, головним чином, електронну провідність, або провідність п-типу (п-напівпровідник), а домішка, що віддає електрони, називаєть­ся донорною. Основними носіями заряду в напівпровіднику п-типу е електрони, а неосновними — дірки.

При внесенні в кристал германію домішки елементів III групи (на­приклад, індію) атоми її заміщають у вузлах кристалічних ґраток ато­ми германію. Однак у цьому випадку при комплектуванні ковалент­них зв'язків одного електрона не вистачає, оскільки атоми домішки мають лише три валентних електрони (рис.). У зв'язку з тим, що енергетичний рівень домішки (індію) Еа (рис.) лежить у за­бороненій зоні поблизу валентної зони, то досить невеликої енергії DЕааu<<DЕ (наприклад, за рахунок тепла навколиш­нього середовища), щоб електрони з верхніх рівнів валентної зони пе­ремістились на рівень домішки, заповнивши відсутні зв'язки. В ре­зультаті у валентній зоні виникають надлишкові вакантні енергетичні рівні (дірки), а атоми домішки (індію) перетворюються в негативні іони (на рис. показані три негативних іони домішки у вигляді прямокутників). Отже, число дірок у напівпровіднику при внесенні тривалентної домішки перевищує число електронів. Такий напівпро­відник має діркову провідність або провідність р-типу (р-напів­провідник). Домішка, введення якої зумовлює створення дірок у валентній зоні, називається акцепторною. В напівпровіднику р-типу основними носіями є дірки, а неосновними — електрони.







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.