Электропроводность полупроводников.

Полупроводниковые материалы по своей удельной электрической проводимости занимают среднее место между проводниками и диэлектриками.

ρ=10^-4 ÷ 10⁴ Ом·см.

Разная величина проводимости у металлов, полупроводников и диэлектриков обусловлена разной величиной энергии, которую надо затратить на то, чтобы освободить валентные электроны от связей с атомами, расположенными в узлах кристаллической решётки, причём, ρ полупроводника в значительной степени зависит от наличия примесей, освещёния и температуры.

В кристаллической решётки Ge (германия) каждый атом окружён четырьмя одинаково удалёнными соседними атомами и связан с этими атомами силами ковалентных связей. При ковалентной связи каждая пара валентных электронов (по одному от каждого атома) принадлежит в равной мере двум соседним атомам и образует связывающую атомы силу.

В кристалле чистого Ge при температуре абсолютного нуля все валентные электроны принимают участие в образовании ковалентных связей и поэтому не могут принимать участия в процессе проводимости. Поэтому проводимость Ge при температуре равной нулю с ростом температуры или под действием света, радиоактивного излучения некоторые валентные электроны получают энергию, достаточную для преодоления сил связи с атомами, и становятся свободными. Свободные электроны находятся в состоянии хаотического движения, вызываемого тепловыми колебаниями атомов в кристаллической решётке. При отсутствии внешнего электрического поля средняя скорость движения электронов равна нулю. При приложении внешнего поля к полупроводнику средняя скорость движения электронов в направлении поля будет отличаться от нуля и будет приблизительно равна напряжённости приложенного поля. Это движение электронов и называется электрическим током. Проводимость, обусловленная перемещением свободных электронов, называется электронной. Кроме перемещения свободных электронов в полупроводнике возможен ещё один способ перемещения электронов. Одновременно с появлением свободных электронов возникают незаполненные связи вблизи тех атомов, от которых эти электроны отделились. Отсутствие электронов в атоме полупроводника, то есть наличие в атоме положительного заряданазывают дыркой. Электрон из соседней ковалентной связи может переместиться на вакантное место той связи из которой электрон ушёл, а на его место может прийти другой электрон и так далее. Перемещение возможно потому, что атом с дыркой имеет положительный заряд и может притянуть к себе электрон из соседнего атома.

Поочерёдное перемещение связанных зарядов электронов принято рассматривать как перемещение дырки в обратном направлении такую ρ называют дырочной. Однако, в отличии, от сводных электронных подвижность дырок в несколько раз меньше, а направление их движения противоположно движению свободных электронов. Процесс образования пар электрон-дырка, протекающий в результате разрыва ковалентной связи, называется генерацией. Под скоростью генерации понимают число пар, возникающих в единице объёма в единицу времени. Скорость генерации увеличивается в 2-3 раза с увеличением температуры на каждые 10⁰. Теоретически в е раз.

Одновременно с процессом генерации пар в полупроводнике идёт и процесс рекомбинации, то есть процесс соединения свободных электронов и дырок. В стационарном состоянии рекомбинация уравновешивает генерацию, таким образом в чистом полупроводнике при обычных условиях возникает проводимость, обеспечиваемая наличием свободных электронов и дырок. Однако эта проводимость значительно меньше проводимости металлов, так как в металлах число свободных электронов не меньше числа атомов, в то время, как в чистом полупроводнике их число составляет десятимиллионные доли % от общего числа атомов.

Чистые полупроводники в полупроводниковых приборах практически не применяются, так как обладают малой проводимостью и не обеспечивают односторонней проводимостью. Техническое применение получили полупроводники, которые в зависимости от рода введённой примеси имеют преобладающую электронную либо дырочную проводимость.

Если в кристаллическую решётку четырёх валентного Ge ввести примесь пятивалентного элемента, например, Sb, As, то четыре валентных электрона примесного атома примут участие в образовании связей с четырьмя соседними атомами Ge, а пятый валентный электрон окажется избыточным, он слабо связан с атомом и легко превращается в свободный. При этом атом примеси превращается в положительный ион. Рост концентрации свободных электронов увеличивает вероятность рекомбинации, поэтому концентрация дырок уменьшается до значения соответствующей температуры.

При нормальной температуре практически все атомы примеси превращаются в положительные неподвижные ионы, а число свободных электронов значительно превышает число дырок. Основные носители заряда таких полупроводников – электроны, поэтому такой полупроводник называют полупроводником n-типа. Дырки – не основные носители. Примеси, у которых атомы отдают электроны, называются донорами.

При введении примеси трехвалентного элемента: In, Al, то три валентных электрона каждого атома примеси примут участие в образовании трёх ковалентных связей, а для четвёртой связи атом примеси забирает электрон из какой-либо другой связи, образуя дырку. При этом примеси превращаются в отрицательный неподвижный ион. Таким образом трёхвалентная примесь увеличивает концентрацию дырок, что в свою очередь уменьшает концентрацию электронов. Основными носителями заряда таких полупроводников являются дырки, поэтому полупроводник называется полупроводником p-типа.

Не основными носителями заряда являются электроны. Вещества, отбирающие электроны, являются акцепторами. Концентрация самих носителей определяется концентрацией примеси и практически не зависит от температуры, так как уже при комнатной температуре (20⁰) все атомы примеси ионизированы, а число основных носителей, возникающих за счёт генерации пар электрон-дырка с ростом температуры пренебрежимо мало, по сравнению с общим числом основных носителей. В то же время концентрация не основных носителей мала и так как она обусловлена генерацией пар, то сильно зависит от температуры, увеличиваясь в 2-3 раза (в е раз) при увеличении температуры на каждые 10⁰.

Дата добавления: 2015-07-15