Природа электропроводности полупроводников. Типы полупроводников.

Собственный полупроводник – полупроводник, не содержащий примесей влияющих на его электропроводность. Собственная проводимость ещё называется проводимостью i–типа (англ. intrinsic – собственный)

Рисунок 1.

У собственных полупроводников элементы в зону проводимости могут поставляться только из заполненной зоны (валентной). Количество электронов зависит от температуры. В валентной зоне образуется соответствующее количество дырок. При каждом акте возбуждения создается два заряда противоположных знаков, следовательно, общее число носителей заряда в два раза больше числа электронов в зоне проводимости ,

тогда удельная проводимость

где: ξ_n, ξ_р – подвижности носителей заряда соответственно электронов и дырок

где: Е – напряженность электрического поля, υ – средняя скорость движения зарядов, – средняя скорость теплового движения свободных электронов (чем выше скорость, тем чаще столкновения и меньше длина свободного пробега)..

Для установившегося состояния при определенной температуре (динамическое равновесие между возбуждением и рекомбинацией) концентрация соответствующих носителей:

N_c , N_B – число энергетических уровней в единице объема вещества в свободной и валентной зоне соответственно ( коэффициент “2” показывает, что на любом уровне может находиться по 2 электрона).

Так как в большинстве случаев то подвижность электронов больше подвижности дырок, следовательно, собственная проводимость имеет преобладающий электронный характер.

Примесные проводники (n и p типа).

Роль примесей играют чужеродные атомы и дефекты решетки, если примесные атомы располагаются в узлах решетки, это примеси замещения, если между узлами решетки, то примеси внедрения.

Атомы примесей образуют дополнительные энергетические уровни внутри запрещенной зоны, вблизи зоны проводимости (в п/п n типа) или вблизи валентной зоны (в п/п p типа).

Атомы примесей находятся на значительном расстоянии друг от друга, следовательно, вероятность перехода электрона от одного атома примесей к другому ничтожна. Но они поставляют электроны в зону проводимости или принимают их из валентной зоны.

Рассмотрим пространственные структуры и конкретные типы примесей

I. Донорные примеси.

Основной материал –Ge(Германий), Si(Кремний)

– IV группа – на внешней орбите 4 электрона.

Примесь: As – Arsenicum ( мышьяк).

- V группа – на внешней орбите 5 электронов. Следовательно, лишний электрон участвует в токе проводимости (полупроводник n – типа)

Для полупроводников IV группы, примеси V группы Sb(Stibium, сурьма), As, у которых 5 электронов, являются донорами.

Примесь поставляет «лишние» валентные электроны в зону проводимости.

←---Е

Рис.2

Примесные уровни расположены у дна зоны проводимости. Положительные заряды, возникающие у примесных атомов, не могут гулять по кристаллу (т.е. участвовать в электропроводности) из-за их значительного отдаления. Полупроводники с такой примесью имеют концентрацию электронов в свободной зоне больше концентрации дырок в валентной зоне. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа, а примесь донором.

II. Акцепторные примеси.

In (Индий)– элемент III группы заимствует электрон у соседнего атома Ge и становится отрицательным ионом, неподвижно закрепленным в узле кристаллической решетки.

Примесь принимает электроны из валентной зоны.

←---Е

Рис.3

Дырка, образованная на месте захваченного электрона, начинает перемещаться вдоль вектора напряженности электрического поля. Получился полупроводник с проводимостью р-типа. А элементы III группы будут акцепторами.

Атомы примеси вблизи потолка валентной зоны. Электроны из валентной зоны захватываются на свободные примесные уровни, но ввиду разобщенности примесных атомов в создании электрического тока не участвуют. Здесь концентрация дырок больше концентрации электронов, следовательно, имеем дело с полупроводником р-типа, а примесь акцепторная.

В химических соединениях типа А^III B^V, таких,как InSb – антимонид индия, GaSb – антимонид галлия, InAs – арсенид индия обычно примесные атомы II группы( Mg,Zn) являются акцепторными, а VI группы (Se, Te) –акцепторы. Элементы IV группы могут быть как донорами так и акцепторами в зависимости от того, какой атом замещается примесным атомом.

В обоих случаях энергия активации атомов примеси должна быть меньше ширины запрещенной зоны, следовательно, при нагревании переброс электронов примеси опережает возбуждение атомов решетки. (Рис.4) Примесная проводимость при нагревании всегда обнаружится раньше основной. Те носители заряда, концентрация которых больше, называются основными, которых меньше – неосновными

Рис.4

Электронно-дырочный переход

P-n-переход возникает в монокристалле имеющей две области с разным типом проводимости.

Полупроводники n- типа – основные носители ē, неосновные – дырки.

Полупроводники p-типа – основные носители дырки, неосновные –ē.

Концентрация неосновных носителей очень мала, следовательно, их не рассматривают.

a. p-n переход в свободном состоянии

Рис. 5

свободные электроны мигрируют в р-область, свободные дырки мигрируют в n-область, следовательно, на границе возникает поле диффузии E_диф из двойного слоя зарядов, т.е. возникает запирающий слой шириной d (несколько мкм).

Запирающий слой обеднен свободными носителями зарядов и обладает сопротивлением во много раз больше основной части проводника.

b. P-n переход в открытом состояние

Рис.6.

Внешнее электрическое поле направлено встречно полю диффузии основные носители заряда переходят через p-n переход и рекомбинируют. Через p-n переход проходит прямой ток. Переход открыт. Потенциальный барьер узкий.

c. p-n переход «заперт»

Рис.7.

Переход (потенциальный барьер) «расширяется» его могут пересечь только неосновные носители заряда (они обуславливают обратный ток I обр.)

Рис.8.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода (р-n перехода)