Работа электрических машин и аппаратов Машины постоянного тока. Асинхронный двигатель Закон полного тока Элементы зонной теории твердого тела Проводниковые материалы Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые материалы Расчет электронного устройства

Определение и классификация Полупроводники при комнатной температуре занимают по удельному сопротивлению , имеющему значения 10-6 - 109 Ом . м, промежуточное положение между металлами и диэлектриками. По ширине запрещенной зоны к полупроводникам относят вещества, ширина запрещенной зоны которых лежит в диапазоне 0.1 - 3.0 эВ. Приведенные данные следует считать ориентировочными, так как они относятся к нормальным условиям, но могут сильно отличаться в зависимости от температуры.

Примесная электропроводность полупроводников. Доноры и акцепторы

Характерной чертой полупроводников является их сильная чувствительность к примесям. Если в структуру идеального полупроводника ввести атом, относящийся к пятой группе периодической системы элементов, например сурьму или мышьяк, то четыре его электрона займут места в связях с соседними атомами полупроводника, а пятый - окажется как бы лишним.

Такой избыточный электрон оказывается связанным со своим атомом значительно слабее. Для того чтобы оторвать его от атома и превратить в носитель заряда требуется значительно меньшее количество энергии, чем для высвобождения электрона из ковалентной связи. В зонной модели это означает, что для того, чтобы перевести такой электрон в зону проводимости, необходима меньшая энергия, чем та которая определяется шириной запрещенной зоны. Это, в свою очередь, означает, что уровни энергии на которых будут находиться такие электроны, должны располагаться в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости, рис.10.

При очень низких температурах избыточные электроны находятся на этих уровнях, но уже при незначительном повышении температуры получают достаточное для перехода в зону проводимости, количество энергии.

Количество энергии необходимое для переброса такого электрона в зону проводимости называется энергией активации примеси. Уход электрона от атома примеси превращает его в положительный ион, однако он прочно связан оставшимися связями с кристаллической решеткой и не будет перемещаться подобно дырке.

Таким образом, появление в кристаллической решетке полупроводника примесного атома пятой группы приводит к появлению в зоне проводимости свободного электрона, который, при своем появлении в зоне проводимости, не оставляет вакансии в валентной зоне. Его существование не связано с одновременным существованием дырки.

Увеличивая содержание атомов примеси, можно, тем самым, увеличивать содержание свободных электронов в полупроводнике, не увеличивая при этом содержание дырок. Присутствие примесей может изменять электропроводность полупроводника в десятки и сотни тысяч раз.

Например, если в германий ввести 0,001% мышьяка, его электропроводность возрастет в 10000 раз. При этом доля собственной проводимости становится настолько ничтожной, что ею можно практически пренебречь и считать проводимость чисто примесной.

Если концентрация электронов существенно превысит концентрацию дырок, то можно считать, что в данном кристалле ток в основном переносится электронами. Другими словами, электроны в этом случае будут основными носителями заряда, а дырки - неосновными.

Примеси, способные отдавать электроны в зону проводимости, называются донорными примесями, или просто донорами.

Если в кристаллическую решетку полупроводника ввести атом элемента третьей группы, например индий, который на внешней энергетическом уровне имеет три электрона - 5s2 и 5p1, то в кристаллической решетке кремния или германия атом индия образует только три заполненные ковалентные связи, а четвертая связь останется незаполненной.

При небольшом тепловом возбуждении электрон одной из соседних связей может перейти в эту дефектную связь. Во внешнем энергетическом уровне индия появится лишний электрон, и атом индия превратится в отрицательный ион. Нарушится нейтральность и той связи, с которой электрон перешел в дефектную связь индия. В этой связи появится положительный заряд-дырка. Увеличивая концентрацию индия, можно повысить концентрацию дырок. При достаточно высокой концентрации примесей элементов третьей группы дырки станут основными носителями, а электроны неосновными.

Так как переход электронов из валентных связей к атому индия требует энергий несравненно меньших, чем ширина запрещенной зоны, то это означает, что уровни энергии на которые переходят эти электроны, должны располагаться в запрещенной зоне, вблизи потолка валентной зоны, рис.11.

При низких температурах эти уровни остаются свободными. При небольшом повышении температуры один из валентных электронов покидает валентную зону и занимает уровень примеси, оставляя после себя в валентной зоне дырку.

Энергия, которую необходимо сообщить валентному электрону, для того чтобы перевести его из валентной зоны на примесной уровень, также называется энергией активации примесей.

Примеси, способные принимать на свои энергетические уровни валентные электроны, называются акцепторными примесями, или просто акцепторами.

В заключение следует отметить, что все рассмотренные процессы обратимы, и наряду с переходом электронов с нижних уровней на более высокие происходят и обратные переходы. Электроны при этом теряют энергию, отдавая ее кристаллической решетке или излучая. Особое внимание следует обратить на то, что одновременно с генерацией пар "электрон-дырка" происходит и обратный процесс восстановления порушенных связей. Свободный электрон при этом возвращается в нарушенную связь, а пара "электрон-дырка" исчезают. Этот процесс носит название рекомбинации.

Некоторые итоги и выводы

В проводниках концентрация свободных носителей заряда есть величина постоянная и не зависит от температуры. Электропроводность полупроводников возникает только за счет нарушения ковалентных связей в кристалле и генерации пары электрон-дырка в результате внешнего энергетического воздействия.

Концентрация свободных носителей заряда в полупроводнике, оставаясь в миллионы раз меньше концентрации свободных носителей в проводниках, увеличивается при возрастании температуры, что приводит к росту электропроводности.

Донорные примеси, за счет эмиссии электронов с донорных уровней в зону проводимости, обеспечивают электронную проводимость полупроводника.

Полупроводники, в которых основными носителями заряда являются электроны, называются электронными, или полупроводниками "n"-типа.

Акцепторные примеси, принимая валентные электроны на акцепторные уровни, приводят к появлению в полупроводнике дырочной проводимости.

Полупроводники, в которых основными носителями заряда являются дырки, называются дырочными полупроводниками, или полупроводниками "p"- типа.

основные положения и постулаты квантовой теории, туннельный эффект, строение атома и связь с периодической таблицей элементов Менделеева (ПК-1); - классификацию твердых тел на металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории, основные электрические, магнитные и оптические свойства твердых тел, механизмы протекания тока, особенности электронных свойств неупорядоченных и аморфных материалов
Сплавы высокого сопротивления