Внутреннее строение полупроводников
Атомы твердого вещества размещены в строго определенной последовательности, на одинаковом расстоянии друг от друга, образуя так называемую кристаллическую решетку.
Связь соседних атомов друг с другом с помощью 2-х валентных электронов называется ковалентной связью (один электрон принадлежит одному атому, а второй - другому).
Известно, что при абсолютном нуле у чистого (т.е. беспримесного) полупроводника электропроводность отсутствует (нет свободных электронов).
Это связано с тем, что все электроны участвуют в ковалентных связях.
При комнатной температуре часть валентных электронов получает тепловую энергию, достаточную для отрыва от атома, и переходит из валентной зоны в зону проводимости, т.е. становятся свободными.
При этом ковалентная связь оказывается неполной (вместо 2-х валентных электронов присутствует 1).
Отсутствие электрона в ковалентной связи называется дыркой.
Дырки ведут себя как элементарные положительные заряды (имеют такой же по величине заряд, как и электроны, только со знаком «+»).
Процесс образования пары (свободный электрон + дырка) называется генерацией.
Дырка может быть заполнена другим электроном – валентным или свободным.
В первом случае валентный электрон переходит на место дырки из соседней ковалентной связи, образуя дырку в новом месте.
Таким образом, дырки, как и свободные электроны, совершают хаотическое тепловое движение в полупроводнике, т.е. являются носителями заряда.
Во втором случае исчезают два носителя заряда: свободный электрон и дырка.
Процесс заполнения дырки свободным электроном называется рекомбинацией.
Рекомбинация – это процесс восстановления разорванной ковалентной связи, т.е. процесс, обратный генерации.
Примесная проводимость полупроводника
В электронике часто применяются полупроводники, у которых часть атомов основного вещества замещена атомами другого вещества – примесью.
Введение в чистый полупроводник примесей называется легированием.
Легирование резко изменяет свойства полупроводника.
Для легирования используются либо трехвалентные элементы: индий (In), бор (В), алюминий (Al); либо пятивалентные: фосфор (Р), сурьма (Sb), мышьяк (As), т.е. валентность примеси должна отличаться от валентности основного вещества на единицу.
Донорная (электронная) проводимость
Если к четырехвалентному чистому полупроводнику добавить пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона атома примеси будут взаимодействовать с 4-мя валентными электронами атома чистого полупроводника, образуя четыре прочные ковалентные связи. Пятый валентный электрон атома примеси оказывается лишним – ему не хватает пары.
Этот пятый электрон слабо связан с атомом, поэтому уже при комнатной температуре (получив тепловую энергию) легко отрывается от атома и становится свободным.
Атом примеси при этом ионизируется – становится положительным ионом.
При комнатной температуре все атомы примеси ионизированы. Образованные при ионизации в большом количестве свободные электроны добавляются к электронам собственной проводимости, в результате чего концентрация электронов в таком полупроводнике становится очень большой. Концентрация дырок в данном случае будет определяться только дырками собственной проводимости, т.е. будет мала.
Пятивалентная примесь называется донорной (от слова «донор» - отдать) или электронной, т.к. основными носителями заряда (ОНЗ) в этом полупроводнике являются электроны. Дырки в этом полупроводнике будут являться неосновными носителями заряда (ННЗ).
Полупроводник с электронной проводимостью называется донорным полупроводником или полупроводником n-типа (буква «n» - первая буква латинского слова negative – отрицательный).
Акцепторная (дырочная) проводимость
Введем в чистый полупроводник трехвалентную (акцепторную) примесь.
При этом 3 валентных электрона атома примеси взаимодействуют с 3-мя валентными электронами атома чистого полупроводника, образуя три прочные ковалентные связи. Четвертая ковалентная связь оказывается неполной – для нее не хватает электрона примеси, а значит, на этом месте образуется дырка.
Эта дырка может быть заполнена валентным электроном из соседней ковалентной связи, но тогда возникнет дырка в другом месте и т.д. Валентный электрон, заполнивший дырку, ионизирует атом примеси – возникает отрицательный ион.
Как и в предыдущем случае, при комнатной температуре все атомы примеси ионизированы.
Таким образом, в таком полупроводнике к собственным дыркам добавляются дырки, возникшие в большом количестве при ионизации, т.е. концентрация дырок будет очень велика. Концентрация электронов будет определяться только собственными электронами, т.е. будет мала. Проводимость в данном случае будет дырочной, а полупроводник – акцепторный или полупроводник p-типа (буква «p» - первая буква слова positive – положительный).
Токи в полупроводниках
В полупроводнике электрический ток может быть вызван двумя причинами:
· электрическим полем;
· разностью концентраций носителей заряда.
Дрейфовый ток
Рассмотрим первую причину.
Направленное движение носителей заряда (НЗ) под действием электрического поля называется дрейфовым током.
Если к полупроводнику подключить источник постоянного напряжения, то под действием внешнего электрического поля электроны и дырки начнут перемещаться в противоположных направлениях (электроны будут двигаться к плюсовой клемме источника питания, т.е. в сторону, противоположную направлению поля, а дырки – к минусовой, т.е. по направлению поля) – возникнет дрейфовый ток.
полупроводник
Ө
IДР Е
UПИТ
Е – напряженность электрического поля
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|