Собственная электропроводность полупроводника.

Полупроводник свободны от примесей называют собственным полупроводником или полупроводником i-типа . Он обладает собственной электропроводностью, которая складывается из электронной и дырочной электропроводность, при этом несмотря на то, что число электронов и дырок в собственном полупроводнике одинаково электронная электропроводность преобладает над дырочной, что объясняется большей подвижностью электронов по сравнению с подвижность дырок, так как дырочная электропроводность представляет собой перемещение электронов более ограниченно( менее свободной) нежели перемещение электронов проводимости.

валентная

-

+

проводимости

Электропроводность любого вещества обусловлена перемещением валентных электронов осуществляющих перенос электрического заряда. в металле(проводнике) всегда имеются свободные электроны(электронный газ) , которые в электрическом поле направленно перемещаются(электрический ток). В полупроводнике, же все валентные электроны прочно связаны с кристаллической решеткой, пока существует такая связь эти электроны не могут участвовать в переносе электрического заряда . В кристалле атомы германия располагаются в узлах кристаллической решетки, их связь с другими атомами осуществляется по средства четырех валентных электронов. Двойные линии между узлами решетки указывают на ковалентный характер связи при которой каждая пара валентных электронов принадлежит одновременно двум соседним атомам, при этом возникает связывающие атомы сила. Механизм электропроводности полупроводников можно объяснить на основе зонной теории твердого тела. Энергетическая диаграмма полупроводника показывает распределение электронов по энергетическим уровням и состоит из трех зон : валентной, запрещенной и зоной проводимости.

Лишь те валентные электроны полупроводника, которые обладают энергией зоны проводимости освобождаются от ковалентной связи с атомами и могут свободно перемещаться в кристалле. При отсутствии в кристалле примесей атомов других элементов и при температуре абсолютного нуля все валентные электроны участвуют в межатомных связях, иначе говоря находятся на энергетических уровнях валентной зоны, и не могут принимать участие в процессе электропроводности. Между валентной зоной с энергией электрона и ее верхней границы Eв

и зоны проводимости с ее нижней границы Ес находится запрещенная зона шириной дельта Е, которая в сущности равняется разности этих энергетических уровней. У германия дельта Е 0.72 ЭВ, у кремния 1.12 ЭВ. Чтобы электрон мог освободиться от связи с атомом и стать свободным он должен попасть в зону проводимости. Для перевода электрона в зону проводимости ему необходимо сообщить дополнительную энергию, равную или превышающую энергию запрещенной зоны - дельта Е. Под воздействием внешних факторов некоторые валентные электроны атомов кристаллической решетки приобретают энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей. При любых температурах выше абсолютного нуля атомы твердого тела колеблются около узлов кристаллической решетки. Чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний. Время от времени энергия этих колебаний отдельны флуктуации которое могут превышать е среднее значение сообщается какому - либо электрону в результате чего его полная энергия оказывается достаточной для перехода из валентной зоны в зону проводимости, одновременно в валентной зоне образуется дырка - свободная незанятая электроном вакантное место(энергетический уровень). Учитывая, что в каждом кубическом сантиметре объема германия находится примерно 4.4* 10²² атомов можно заключить, что один свободный электрон приходится примерно на миллиард атомов вещества. В кремнии при той же температуре количество свободных электронов из-за большей ширины запрещенной зоны меньше. Это подтверждается тем, что с увеличением температуры концентрация свободных электронов в полупроводнике возрастает по экспоненте. При этом концентрация дырок в собственном проводнике всегда равна концентрации свободных электронов ni=pi. Их можно подсчитать, что при комнатной температуре 293 число свободных электронов в беспримесном германии 3.25*10¹³ в одном см^3. !!!!! Таким образом с ростом температуры количество свободных электронов в собственном полупроводнике растет, а с увеличением ширины запрещенной зоны уменьшается. Скорость генерации носителей Vген и ре комбинации определяется свойствами полупроводника и его температурами. Скорость рекомбинации кроме того пропорциональна концентрации электронов и дырок так как чем большее количество носителей, тем вероятнее, чот их встреча завершится рекомбинацией, учитывая, что в установившемся режиме должно существовать динамическое равновесие, то получим Vген=Vрек=rn_ip_i=rni2 - это условие называют условием равновесной концентрации носителей в собственном полупроводнике, то есть

r - множитель определяемой свойствами проводника.

Если внешнее электрическое поле отсутствует, то как электроны, так и дырки в следствии теплового движения перемещаются в кристалле хаотически. В этом случае ток в полупроводнике не возникает. Если же на кристалл действует электрическое поле, то движение дырок и электронов становится упорядоченным и в кристалле в результате одновременного переноса зарядов обоих знаков возникнут два встречно-направленных потока носителей заряда, создающих токи плотности которых равны Jдпн= en_iмю_nE Jdr=epimuE

Подвижность электрического заряда есть физическая величина, характеризуемая их средней направленной скоростью с напряженностью 1ЭВ на см. Подвижность мю можно определить, как меру скорости перемещения носителя заряда под действием напряженности электрического поля мю=Vsr\E Vsr=muE

Нарушение ковалентных связей и регенерации пар электрон - дырка могут происходить не только под действием фонона(в результате нагрева кристалла), но и под действием других квантов энергии(света, рентгеновских и других лучей). Специфика этих факторов по сравнению с нагревом состоит в том, что их действие локальное: оно ограничено по глубине проникающей способностью, а по поверхности лошадью пучка. Иначе говоря облучение полупроводника эквивалентно его локальному нагреву в отсутствии теплопроводности. Если площадь пучка превышает размеры кристалла и кристалл достаточно тонкий(прозрачный для излучению), то результат облучения по существу такой же как и при нагреве. Таким образом если из вне будет подведена энергия достаточная для перехода электрона через запрещенную зону, то полупроводник имеющий 2 типа носителей заряда(электроны и дырки) приобретает способность проводить электрический ток. Движение носителей заряда в полупроводнике вызванное наличием электрического поля и градиента потенциала называют дрейфом, а созданный этим зарядом - дрейфовый ток . Так как носители заряда противоположного знака движутся в противоположном направлении, то результирующая плотность тока в полупроводнике запишется в следующем виде : Jдр=Jдр+Jдрр=(en_iмю_n+ep_iмю_p)E=(мю_n+мю_p)en_iE

Общую электропроводность полупроводника, обусловленную генерацией перемещением и рекомбинацией пар электрон-дырка называют собственной электропроводностью , а сам полупроводниковый кристалл - собственным полупроводником . Собственная электропроводность обычно не велика. !!!!! При чем как электронная, так и дырочная электропроводность обусловлена перемещением в полупроводнике только электронов, однако в первом случае движутся электроны находящиеся на энергетических уровнях зоны проводимости в направлении противоположном направлению электрического поля. Во втором случае перемещаются электроны валентной зоны, заполняя вакантные энергетические уровни ( дырки) в направлении противоположном направлению дырок.

ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ.

Чистые полупроводники являются объектом главным образом теоретического интереса. Основные исследования полупроводников связаны с влиянием добавления примесей в чистые материалы. Если бы этих примесей не было, то большинства полупроводниковых приборов не существовало бы. Чистые полупроводниковые материалы такие как: Германий и Кремний содержат при комнатной температуре небольшое количество электронодырочных пар и поэтому могут проводить очень маленький ток. Для величесний проводимости чистых материалов используется процесс называемой легированием. Легирование - процесс добавления примесей в полупроводниковый материал. Используется два типа примесей: 1) Пятивалентной- состоит из атомов с пятью валентными электронами (Мышьяк, сурьма) 2) Трехвалентная - состоит из атомов с тремя валентными электронами ( индий, галий). Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалентным материалом (Мышьяк). Некоторые атомы полупроводника замещаются атомами мышьяка. Атом мышьяка размещает 4 своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атомами, а его пятый электрон слабо связан с ядром и легко может стать свободным. Атом мышьяка называется донорским атомом, поскольку он отдает свой лишний электрон . В легированном полупроводниковом материале находится много донорских атомов. Это означает, что для поддержки тока имеется много свободных электронов. При комнатной температуре количество дополнительных свободных электронов превышает количество электронндырочных пар. Это означает, что в материале больше электронов, чем дырок, следовательно электроны называются основными носителями, а дырки называются не основными носителями . Поскольку основные носители имеют отрицательный заряд, то такой материал называется полупроводником n - типа. Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентным материалом (индий) атомы индия разместят свои три валентных электрона среди соседних атомов, это создаст ковалентные связи в дырку. Наличие дополнительных дыр позволит электронам легко дрейфовать от одной ковалентной связи к другой, так как дырки легко принимают электроны, атомы которые вносят в полупроводник дополнительные дырки называются акцепторными. При обычных условия количество дырок в таком материале значительно превышает количество электронов, следовательно дырки являются основными носителями, а электроны не основными. Поскольку основные носители имеют положительный заряд, то такой материал называется полупроводником p - типа. Полупроводниковые материалы n - типа и p - типа имеют значительно более высокую проводимость. чем чистые полупроводниковые материалы. Эта проводимость может быть увеличена или уменьшена путем изменения количества примесей. Чем сильнее проводниковый материал легирован, тем меньше его электрическое сопротивление. Свободные электроны примесного происхождения добавляются к собственным свободным электронам поэтому проводимость полупроводника становится преимущественно электронной. Такие полупроводники называются электронными или n - типа. Примеси обуславливающии электронную проводимость называются донорными (отдающими электронную решетку) . Дырки примесного происхождения добавляются к собственным дыркам , таким образом проводимость полупроводника становится преимущественно дырочной. Такие полупроводники называют дырочными или p - типа. Примеси обуславливающие дырочную проводимость называют акцепторными (захватывающие электроны из решетки). Отрыв лишнего электрона от донора и захват не достающего электрона для акцепторов требует некоторой энергии ионизации или активации примесей . Поскольку в примесных полупроводниках концентрация электронов и дырок резко различны принято называть носителя преобладающего типа основными, а носителя другого типа не основными . В полупроводнике n - электроны, а p - дырки.