Электропроводность полупроводников

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Энергия каждого электрона любого атома может принимать лишь определенные значения называемые уровнями энергии или энергетическими уровнями.

Электроны, расположенные ближе к ядру атома, обладают меньшими энергиями, т. е. находятся на более низких энергетических уровнях. Чтобы удалить электрон от ядра, надо преодолеть их взаимное притяжение, следовательно затратить некоторую энергию. Поэтому удаленные от ядра электроны обладают большими энергиями, т. е. находятся на более высоких энергетических уровнях.

Когда электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, выделяется некоторое количество энергии, называемое квантом или фотоном. Если атом поглощает один квант энергии, то какой-то электрон в нем переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий.

Распределение электронов по уровням энергии изображено на рис.1. Горизонтальными линиями показаны уровни энергии W электрона.

Рис. 1 Схема уровней энергии электронов для металла и диэлектрика

В соответствии с так называемой зонной теорией твердого тела энергетические уровни объединяются в зону. Электроны внешней оболочки атома заполняют ряд энергетических уровней, составляющих валентную зону. Электроны, входящие в валентную зону, участвуют в электрических и химических процессах. Более низкие энергетические уровни входят в состав других зон, заполненных электронами (на рис.1 не показаны), но эти зоны не влияют на явление электропроводности и нас интересовать не будут.

В металлах и полупроводниках существует большое число электронов, находящихся на более высоких энергетических уровнях, чем уровни валентной зоны. Эти уровни составляют зону проводимости. Электроны этой зоны называются электронами проводимости (а в металлах – свободными электронами). Эти электроны совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим. Именно свободные электроны обеспечивают высокую электропроводность металла.

Атомы вещества, отдавшие электроны в зону проводимости, можно рассматривать как положительные ионы. Они располагаются в определенном порядке, образуя пространственную решетку, называя иначе ионной или кристаллической. Такое состояние вещества соответствует равновесию сил взаимодействия между атомами и минимальному значению общей энергии всех частиц тела.

На рис.1 показано, что у металлов зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне. Поэтому при нормальной температуре в металлах большое число электронов имеет энергию для перехода из валентной зоны в зону проводимости. Практически каждый атом металла отдает в зону проводимости по крайней мере один электрон. Таким образом число свободных электронов в металлах не менее числа атомов.

Иная энергетическая структура характерна для диэлектриков. У них между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона, соответствующая уровням энергии, на которых электроны не могут находиться. Ширина запрещенной зоны ΔŴ, т. е. разность между энергией нижнего уровня зоны проводимости и верхнего уровня валентной зоны, составляет несколько электрон-вольт. Один электрон-вольт (1эВ) энергии приобретает электрон, проходящий через ускоряющее поле с разностью потенциалов 1В. При нормальной температуре у диэлектриков в зоне проводимости имеется только очень небольшое число электронов, и поэтому диэлектрик обладает ничтожно малой проводимостью. Но при нагревании некоторые электроны валентной зоны, получая добавочную энергию, переходят в зону проводимости, и тогда диэлектрик приобретает заметную проводимость.

Зонная диаграмма полупроводников подобна зонной диаграмме диэлектриков (рис.1), но только ширина запрещенной зоны ΔŴ меньше чем у диэлектриков и в большинстве случаев составляет примерно один электрон-вольт. Поэтому при низких температурах полупроводники являются диэлектриками, а при нормальной температуре значительное число электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости.

В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов широко используют кремний и германий. Указанные химические элементы имеют валентность 4. Это значит что внешняя оболочка отдельного атома имеет 4 электрона. В кристаллах указанных элементов отдельные атомы связаны ковалентной связью (рис.2).

Рис.2 Ковалентная связь между атомами германия.

Как видно из рис.2, вокруг каждой пары атомов движутся по орбитам два валентных электрона. В условном плоскостном изображении такой кристаллической решетки (рис.3) ковалентные связи показаны в виде прямых линий, а электроны в виде кружочков.

Рис.3 Плоскостная схема кристаллической решетки.

СОБСТВЕННАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ И ДЫРОЧНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ

Полупроводники представляют собой вещества, которые по удельной электрической проводимости занимают среднее положение между проводниками и диэлектриками.

При нормальной температуре удельная электрическая проводимость проводников 10⁴ - 10⁶Сим/см. (проводимость в 1Сим/см – это проводимость кубика вещества со сторонами в 1см и равная ). У диэлектриков удельная электрическая проводимость менее 10^-10 Сим/см. У полупроводников удельная электрическая проводимость находится в пределах от 10^-10 Сим/см до 10⁴ Сим/см. Как видно. для полупроводников характерен очень широкий диапазон удельной проводимости.

Для полупроводников характерен отрицательный коэффициент электрического сопротивления. При возрастании температуры сопротивление полупроводников падает, а не увеличивается как у большинства проводников.

Принцип работы полупроводников основан на том, что в них существует электропроводность двух видов. Так же как и металлы, полупроводники обладают электронной электропроводностью, которая обусловлена перемещением свободных электронов. При обычных рабочих температурах в полупроводниках всегда имеются электроны проводимости, которые очень слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое движение между атомами кристаллической решетки. Эти электроны под воздействием разности потенциалов могут начать двигаться, создавая электрический ток.

Полупроводники также обладают дырочной электропроводностью, которая не наблюдается в металлах. В атоме полупроводника под влиянием тепловых воздействий один из электронов валентной зоны переходит в зону проводимости. Тогда атом будет иметь положительный заряд, численно равный заряду электрона. Такой атом в химии называют положительным ионом. Но надо иметь ввиду, что при ионной электропроводности, например в электролитах, ток представляет собой движение ионов (слово «ион» означает «путешественник»). Но в полупроводниках кристаллическая решетка прочна. Ее ионы не передвигаются, а остаются на своих местах.

Отсутствие электрона в атоме полупроводника условно назвали дыркой. Этим подчеркивают, что в атоме не хватает одного электрона, т. е. образовалось свободное место. Дырки ведут себя как элементарные положительные заряды.

Возникновение дырки объясняется с помощью плоскостной модели полупроводника (рис.4)

Рис.4 Возникновение пары электрон-дырка.

Один из электронов, участвующих в ковалентной связи, получив дополнительную энергию, становится электроном проводимости и может перемещаться кристаллической решетке. А его прежнее место теперь свободно. Это и есть дырка.

Если п/п поместить в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в п/п складывается из электронного In и дырочного Ip токов:

I = In + Ip

При дырочной электропроводности под влиянием приложенной разности потенциалов перемещаются дырки, что эквивалентно перемещению положительных зарядов. Такой процесс показан на рис.5, где изображено для различных моментов времени несколько атомов, расположенных вдоль полупроводника. Если в полупроводнике действует электрическое поле (разность потенциалов), то это поле стремиться двигать электроны от отрицательного потенциала к положительному. Начинается последовательный переход электронов из одного атома в другой справа налево. А это соответствует перемещению положительного заряда – дырки слева направо.

Рис.5 Принцип дырочной электропроводности.

Как видно при дырочной электропроводности в действительности тоже перемещаются электроны, но более ограниченно, чем при электронной электропроводности. Электроны переходят из данных атомов только в соседние. Результатом этого является перемещение положительных зарядов – дырок в направлении, противоположном движению электронов.

Электропроводность полупроводников наиболее правильно может быть объяснена их энергетической структурой (рис.6). Ширина запрещенной зоны у полупроводников сравнительно невелика (для германия 0,72эВ, а для кремния 1,12эВ). При температуре абсолютный нуль, полупроводник, не содержащий примесей, является диэлектриком, в нем нет электронов и дырок проводимости. Но при повышении температуры электроны валентной зоны получают дополнительную энергию, и за счет этого все большее их число преодолевает запрещенную зону и переходит из валентной зоны в зону проводимости. Этот переход показан на рис.6 сплошной стрелкой. Таким образом возникает электронная электропроводность.

Каждый электрон, перешедший в зону проводимости оставляет в валентной зоне свободное мест – дырку. Число дырок равно числу электронов, перешедших в зону проводимости. Следовательно вместе с электронной создается и дырочная электропроводность.

Электроны и дырки, которые могут перемещаться, а поэтому создавать электропроводность называются носителями заряда. Процесс образования пары свободный электрон-дырка называется генерацией пары носителей заряда.

Рис.6 Энергетическая структура полупроводника.

Вследствие того что электроны и дырки проводимости совершают хаотическое тепловое движение, электроны проводимости иногда занимают свободные места в валентной зоне, т. е. объединяются с дырками. Такое исчезновение пар носителей называется рекомбинацией носителей заряда. Процесс рекомбинации показан штриховой стрелкой на рис.6. Процессы генерации и рекомбинации пар носителей всегда происходят одновременно. Рекомбинация ограничивает возрастание числа пар носителей, и при каждой данной температуре устанавливается определенное число пар электронов и дырок проводимости, т. е. они находятся в состоянии динамического равновесия. Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником или полупроводником і- типа. Он обладает собственной электропроводностью, которая складывается из электронной и дырочной проводимости. Промежуток времени между моментом генерации носителей заряда и его рекомбинацией называется временем жизни электрона или дырки, а пройденное носителем заряда за время жизни расстояние – диффузионной длиной.

Несмотря на то, что число электронов и дырок проводимости в собственном полупроводнике одинаково, электронная электропроводность преобладает, что объясняется большей подвижностью электронов по сравнению с подвижностью дырок. Ведь дырочная проводимость представляет менее свободное перемещение электронов, нежели перемещение электронов проводимости.

Если к полупроводнику не приложено никакое напряжение, то электроны и дырки совершают хаотическое тепловое движение. Под действием разности потенциалов в полупроводнике возникает электрическое поле, которое ускоряет электроны и дырки и сообщает им еще некоторое поступательное движение, представляющее собой ток проводимости.

Движение носителей заряда под действием электрического поля называют дрейфом носителей, а ток проводимости – током дрейфа. Ток дрейфа складывается из электронного и дырочного тока проводимости.

В полупроводниках при повышении температуры вследствие интенсивной генерации пар носителей концентрация пар носителей увеличивается значительно быстрее, нежели уменьшается их подвижность, поэтому с повышением температуры проводимость полупроводника растет. В металлах концентрация электронов проводимости почти не зависит от температуры, а подвижность электронов с повышением температуры падает вследствие увеличения числа взаимных столкновений. Поэтому в металлах с повышением температуры проводимость падает.

Дата добавления: 2015-10-21