Электропроводимость полупроводников

Все вещества в природе по электрическим свойствам делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Полупроводники при комнатной температуре имеют удельное сопротивление . Если меньше, то это проводники, если больше, то – диэлектрики.

Полупроводники от проводников отличаются тем, что при нагревании собственная проводимость полупроводника увеличивается, а проводника уменьшается. Увеличить проводимость полупроводника можно также добавле- нием примеси другого элемента (примесная проводимость), например, к крис-таллам германия и кремния пятивалентные элементы(сурьма, мышьяк, фосфор), либо трехвалентные (бор, индий, галлий, алюминий).Число атомов примеси намного меньше числа атомов основного эле­мента, причем на десятки тысяч атомов гер­мания или кремния приходится только один атом примеси.

На рис. 1.1 изображена кристаллическая решет­ка германия, в которую «внедрился» атом примеси — пятивалентный атом мышьяка. Четыре электрона валентной оболочки атома мышьяка образуют прочные ковалентные связи с четырьмя соседними атомами германия, а пятый, валентный, электрон мышьяка оказывается «лишним» - значит свободным.

Рис 1.1. Замеще­ние в узле кристал­лической решетки атома германия атомом мышьяка

Рис.1.2.Энергетическая диаграмма полупроводнико-

вого кристалла с электронной электропроводностью:

1- зона проводимости, 2- примесная зона, 3- запрещен-

ная зона, 4- валентная зона.

Размер орбиты, по которой он вращается вокруг ядра атома мышьяка, увели­чивается в десятки раз, а связь его с ядром резко уменьшается. В этом случае энергия для отрыва «лишнего» элек- трона от атома мышьяка (энергия перехода в зону проводимости), составляет примерно 0,05 эВ. Т.к. ширина запрещенной зоны германия превышает 1 эВ, то энергетический уровень электрона мышьяка расположен рядом с зоной прово-димости кристалла. При большой концентрации примесных атомов мышьяка образуется примесная зона, иногда перекрывающая энергетическую зону про­водимости германия (рис.1.2). Т.к. примесная зона и зона проводимости находятся рядом, то даже при малых температурах значительная часть электронов примесной зоны переходит в зону прово­димости, образуя пару носителей зарядов: электрон в зоне проводимости и дырка в примесной зоне. Пусть к крис­таллу приложено внешнее напряжение, тогда положительно заряженные дырки, переходя с одного энергетического подуровня при­месной зоны на другой, практически «прижмутся» к дну примесной зоны, но не смогут преодолеть запрещенную зону. Электроны же наоборот продвинутся навстречу прило­женному напряжению.

Т.о., прохож­дение тока через кристалл обеспечивается электро­нами. Электропроводность кристалла называется электронной, а примесь- донорной.

При легиро­вании четырехвалентного кристалла германия трехвалентной примесью индия(рис.1.3) три электрона внешней оболочки атома индия вступают в ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. При этом каждый электрон движется вместе с электроном сосед­него атома по орбите, охватывающей два соседних ядра. На четвертой орбите движется только один электрон. Отсутствие другого электрона равноценно присутствию положительного заряда — дырки.

Рис. 1.3. Замещение в узле кристаллической решетки атома германия атомом индия

Под действием теплового возбужде­ния электроны соседних орбит легко перейдут на не­заполненную орбиту, что упорядочит движение дырок. Для этого перехода требуется ≈ 0,01 эВ. Поэтому энергетичес- кий уровень дырки размещается в непосредственной близости от валентной зоны кристалла.

Рис. 1.4. Энергетиче­ская диаграмма полупроводникового кри­сталла с дырочной электропроводностью:1-зона проводимости, 2- запрещенная зона, 3 - примесная зона, 4 - валентная зона.

Взаимодействие атомов примеси приводит к тому, что электроны (рис. 1.4) из ва­лентной зоны переходят в примесную зону, образуя пару носителей заря­дов: электрон в примесной и дырка в валентной зо­нах. Под действием приложенного напряжения электроны «прижмутся» к потолку примесной зоны и не смогут создать ток. Дырки же будут упорядоченно двигать­ся по направлению приложенного напряжения, при­обретая добавочную энергию и беспрепятственно переходя с одного на другой энергетический подуровень широкой ва­лентной зоны.

Т.о., прохож­дение тока через кристалл обеспечивается дырками. Электро-проводность такого кристалла называется дырочной, а примесь- акцепторной.

Кристаллы с электронной электропроводностью, в которых электрический ток создается упорядо­ченным движением отрицательных зарядов, назы­ваются кристаллами типа n (от negative — отрицательный).

Кристаллы с дырочной электропроводностью, в которых электрический ток создается упорядоченным движением положительных зарядов, называются кристаллами типа р (от positive — положи­тельный).

В примесных полупроводниках различают основные и неосновные носители электрического заряда. В полупроводнике п -типа основными носителями являются свободные электроны, а неосновными – дырки. В полупроводнике р -типа основными носителями являются дырки, а неосновными –электроны.

Поиск по сайту: