Примесная проводимость полупроводников.

Электропроводность полупроводников

Собственная проводимость полупроводников

Полупроводниками называются ма­териалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Для полупроводников характерна большая зависимость проводимости от температуры, электрического поля, осве­щенности, сжатия и т. д. В отличие от проводников они имеют не только электронную, но и так называемую дыроч­ную проводимость.

В электронике в качестве полупроводниковых материа­лов наиболее широко применяются германий, кремний, арсенид галлия. Химическую связь двух соседних атомов, обусловлен­ную образованием общей пары электронов на одной орбите а, называют парноэлектронной или ковалентной. Она условно изображается двумя линиями, соединяю­щими атомы б. Например, германий принадле­жит к элементам четвертой группы периодической системы элементов Менделеева. Следовательно, он имеет на внешней орбите четыре валентных электрона. Каждый атом в кри­сталле германия образует парноэлектронные связи с че­тырьмя соседними атомами в.

При температуре, близкой к абсолютному нулю, и отсут­ствии примесей все валентные электроны атомов в кристалле. германия взаимно связаны, свободных электронов нет: следовательно, кристалл не обладает проводимостью. При повышении температуры или при облучении(или других внешних воздействиях) увеличивается энергия части электронов, что приводит к частичному на­рушению ковалентных связей и появлению свободных элек­тронов. Германий уже при комнатной температуре стано­вится полупроводником. Под действием внешнего электри­ческого поля свободные электроны перемещаются, обуслов­ливая электронную проводимость (n-проводимость).

В момент образования свободного электрона в ковалентных связях образуется свободное (вакантное) место — «электронная дырка», так что этот термин указывает на отсутствие одного электрона. При наличии дырки какой-либо из электронов соседней связи может занять место дыр­ки, и нормальная связь в этом месте восстановится; однако нормальная связь нарушается в том месте, откуда убыл электрон; эту новую дырку может занять еще какой-либо электрон и т. д. Под действием внешнего электрического поля происходит перемещение дырок в направлении поля, т. е. в направлении, обратном перемещению электронов. Перемещение дырок эквивалентно перемещению положи­тельных зарядов. Этот процесс называется дырочной прово­димостью (p-проводимoстью)_; Если при электронной про­водимости один свободный электрон проходит весь путь в кристалле, то при дырочной проводимости большое коли­чество электронов поочередно замещают друг друга в свя­зях,

т. е. имеет место как бы эстафета электронов, при ко­торой каждый электрон проходит свой этап пути. Таким образом, проводимость полупроводника складывается из электронной и дырочной проводимостей, имеющихся в равной степени.

При нарушении парноэлектронных связей в кристалле одновременно возникает одинаковое число свободных элек­тронов и дырок(называемых неосновными носителями). Если, с одной стороны, с повышением температуры происходит образование пар «электрон — дырка», с другой стороны, происходит их частичная реком­бинация(обединение в нейтральный атом). При заданной температуре число пар в единице объема полупроводника в среднем остается постоянным, но значительно меньше чем свободных зарядов в металле. Проводимость германия при нормаль­ной температуре значительно меньше проводимости метал­лов. При повышении температуры число свободных электронов и дырок увеличивается и проводимость полупроводников растет.

Примесная проводимость полупроводников.

Свойства полупроводника можно изменить, внеся в него ничтожное количество примеси. Вводя в кристалл полупроводника атомы других элементов, можно получить в кристалле преобладание количества свободных электронов над дырками, или, наоборот, преобладание количества дырок над свободными электронами. Например, при внесении в основное вещество примесей путем замещения в кристаллической решетке атома герма­ния атомом мышьяка, имеющим пять валентных электро­нов, четыре электрона мышьяка образуют заполненные связи с соседними атомами германия, а пятый электрон, слабо связанный с атомом мышьяка, превратится в свобод­ный а. Поэтому примесь мышьяка увеличивает электронную проводимость. При замещении атома германия атомом индия, имеющим три валентных электрона, они вступят в ковалентную связь с тремя атомами германия, а связи с четвертым атомом германия будут отсутствовать, так как у индия нет четвер­того электрона б. Восстановление всех связей возможно, если недостающий четвертый электрон будет получен от ближайшего атома германия. Но в этом случае на месте электрона, покинувшего атом германия, появится дырка, которая может быть заполнена электроном из со­седнего атома германия.

а)

Процесс последовательного запол­нения свободной связи эквивалентен движению дырок в полупроводнике. Таким образом, примесь индия повышает дырочную проводимость кристалла германия. Носители, созданные добавлением примеси называются основными, их количество резко больше, чем неосновных. Полупроводники с преобладанием электронной проводи­мости называются полупроводниками типа n, а полупроводники с преобладанием дырочной проводимости — типа р. Носители заряда, опре­деляющие собой вид проводимости в примесном полупро­воднике, называются основными (электроны в n- полупроводнике или дырки в р- полупроводнике), а носители от внешних воздействий - неосновными. Примеси, вызывающие преобладание электронной проводи­мости, т. е. такие, у которых валентных электронов больше, чем у атома данного полупроводника, называются донорными. Примеси, вызывающие преобладание дырочной про­водимости, т. е. примеси с меньшим числом валентных элек­тронов в атоме по сравнению с атомом данного полупро­водника, называются акцепторными. Атомы примеси, создающие электронную проводимость, превращаются в неподвижные полжительно заряженные ионы; атомы примеси, создающие дырочную проводимость, превращаются в неподвижные отрицательно заряженные ионы. В зависимости от содержания примеси про­водимость примесного полупроводника возрастает по срав­нению с собственной проводимостью полупроводника в де­сятки и сотни тысяч раз. Меняя количество добавленной примеси, меняем количество основных носителей и степень проводимости полупроводника.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: