Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников
Если вам понравился сайт, то поделитесь со своими друзьями этой информацией в социальных сетях, просто нажав на кнопку вашей сети.
При T= 0 K все собственные электроны полупроводника находятся в валентной зоне, целиком заполняя её (рис. 1).
Энергетическое распределение электронов в валентной зоне при нулевой температуре
С повышением температуры тепловое движение «выбрасывает» в зону проводимости электроны из валентной зоны, при этом в валентной зоне остаются «пустые» состояния, которые называются дырками (рис. 2).
Энергетическое распределение электронов в валентной зоне и зоне проводимости при ненулевой температуре
где A= 4,82 Ч 10 15 T 3/2 (m n * m p * / m 2 ) 3/4 ;
В общем случае эффективная масса зависит от направления движения носителя, что отражает анизотропию кристалла.
Для образования пары электрон-дырка, т.е. для возникновения собственной проводимости необходимо, чтобы температура полупроводника была отлична от нуля.
Величина собственной проводимости:
Собственная проводимость наблюдается только в очень чистых (без примесей) и совершенных (без дефектов) полупроводниках, в основном при достаточно высоких температурах.
Технические реализации эффекта
1. Физический энциклопедический словарь.- М., 1982.
2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов.- М.: Мир, 1984.
К полупроводникам относят широкий класс веществ, которые отличаются от металлов тем, что:
а) концентрация подвижных носителей заряда в них существенно ниже, чем концентрация атомов;
б) эта концентрация (а с ней и электропроводность) может меняться под влиянием температуры, освещения, небольшого количества примесей;
в) электрическое сопротивление уменьшается с ростом температуры.
Полупроводники по своему строению делятся на кристаллические, амфорные и стеклообразные, жидкие. По химическому составу полупроводники делятся на элементарные, т. е. состоящие из атомов одного сорта (Ge, Si, Se, Тe), двойные, тройные, четверные соединения. Полупроводниковые соединения принято классифицировать по номерам групп периодической таблицы элементов, к которым принадлежат входящие в соединение элементы. Например, GaAs и InSb относятся к соединениям типа A III B V (существуют также и органические полупроводники).
Строение полупроводников.
Строение полупроводников рассмотрим на примере кремния.
В кристаллической решетке кремния (Si) каждый атом имеет четыре ближайших соседа. Кремний является четырехвалентным элементом, и взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью ковалентной, или парноэлектронной, связи, когда в каждой связи участвует по одному электрону от каждого атома. Это так называемые коллективизированные электроны; большую часть времени они проводят в пространстве между соседними ионами кремния, удерживая их друг возле друга. Каждый валентный электрон может двигаться по связи вдоль всего кристалла (от одного атома к другому).
При низких температурах парноэлектронные связи достаточно прочны, они не разрываются, поэтому кремний не проводит электрический ток.
Электронная проводимость.
Дырочная проводимость.
Разрыв валентных связей при увеличении температуры приводит к образованию вакантного места с недостающим электроном, которое имеет эффективный положительный заряд и называется дыркой. Становится возможным переход валентных электронов из соседних связей на освободившееся место. Такое движение отрицательного заряда (электрона) в одном направлении эквивалентно движению положительного заряда (дырки) в противоположном.
Перемещение дырок по кристаллу происходит хаотически, но если к нему приложить разность потенциалов, начнется их направленное движение вдоль электрического поля. Проводимость кристалла, обусловленная дырками, называется дырочной проводимостью.
Электронная и дырочная проводимость чистых (беспримесных) полупроводников называется собственной проводимостью полупроводников.
Собственная проводимость полупроводников невелика. Так, в Ge число носителей заряда (электронов) составляет всего одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов.
Полупроводники — это вещества, которые по проводимости находятся между металлами и диэлектриками. Они характеризуются сильной зависимостью удельного сопротивления от температуры окружающей среды, содержания примесей, а также влиянием на проводимость полупроводниковых материалов света и радиации.
Ещё одной характерной особенностью является ярко выраженная зависимость собственной проводимости полупроводников от температуры. При увеличении температуры удельное сопротивление полупроводников, уменьшается. Обычно эта зависимость составляет на 1°C. У металлов же сопротивление электрическому току при увеличении температуры растет. Увеличение удельного сопротивления проводников составляет десятые доли процента на 1°C. Кроме того, собственная проводимость полупроводника резко возрастает при наличии в его составе даже незначительного количества другого вещества.
Полупроводниковые электронные приборы изготавливаются на базе кристаллов, где атомы расположены в узлах кристаллической решетки. Атомы создают кристаллическую решетку из-за ковалентной связи общей пары электронов, вращающихся по одной орбитали вокруг ядер атомов кристаллической решетки. При этом принцип Паули определяет что, по одной и той же орбитали могут вращаться не более двух электронов. Эти электроны должны обладать противоположными спинами. Поэтому число ковалентных связей атома вещества в кристаллической решетке определяется количеством электронов на его внешней оболочке, другими словами — его валентностью.
Каждой орбитали соответствует определённая энергия электрона. Электрон в атоме может находиться только на определённых энергетических уровнях. В процессе образования кристаллической решетки между атомами возникает сильное взаимодействие, приводящее к расщеплению энергетических уровней атомов на энергетические зоны, как это показано на рисунке 2 статьи «Зонная теория проводимости». Энергетическая диаграмма полупроводника при Т=0 К° приведена на рисунке 2.
Энергетическая зона, в которой при температуре абсолютного нуля все энергетические уровни заняты, называется заполненной. Обычно это валентная зона. На рисунке 2 заполненная зона обозначена цифрой 3. Энергетическая зона, в которой при температуре абсолютного нуля электронов нет, называется зоной проводимости. На рисунке 2 зона проводимости обозначена цифрой 1.
Модель хорошо согласуется с изображением поверхности монокристалла кремния, полученным атомно-силовым микроскопом (АСМ). На изображении видны внешние электронные оболочки атомов кремния.
Однако при объяснении принципов работы полупроводниковых приборов использование пространственных характеристик избыточно. Достаточно отображения кристаллической решетки на плоскость. В качестве подобного примера, на рисунке 3 приведено условное отображение на плоскость кристаллической решетки германия. На этом же рисунке показано как образуется в полупроводнике с собственной проводимостью пара носителей заряда электрон и дырка.
В полупроводниковых материалах, подобных арсениду галлия GaAs или фосфиду индия InP образуется другой тип кристалла — сфаллерит. В этом виде кристалла атомы галлия и атомы мышьяка формируют шестиугольные ячейки. Для этого достаточно трёх ковалентных связей, а связь между соседними слоями атомов осуществляется оставшимися двумя ковалентными связями атомов мышьяка. Кристаллическая решётка арсенида галлия в одной из плоскостей приведена на рисунке 6.
При комнатной температуре часть электронов приобретает энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи, как это показано на рисунках 5 и 6. Ион, где это произошло, выделен красной окружностью, а освободившийся электрон показан стрелочкой. При разрыве ковалентной связи в валентной зоне появляется свободный энергетический уровень. Процесс образования пар электрон-дырка называется генерацией свободных носителей заряда. В результате в объеме полупроводника появляется пара электрических зарядов: свободного электрона и «дырки». Одновременно с процессом генерации протекает процесс рекомбинации носителей, при котором электрон захватывается ионом и «дырка» исчезает. Описанные ситуации показаны на рисунке 7.
В полупроводнике при заданной температуре устанавливается определенная концентрация электронов в зоне проводимости ni. Она описывается следующей формулой:
и равная ей концентрация дырок pi, в валентной зоне:
В химически чистых полупроводниках уровень Ферми совпадает с серединой запрещенной зоны Wi, а значит Аn = Ар = А. Поэтому для полупроводника с собственной проводимостью можно записать:
Из выражения (3) следует, что в чистом полупроводнике концентрации носителей зарядов зависят от ширины запрещенной зоны и при увеличении температуры возрастают приблизительно по экспоненциальному закону. Зависимость коэффициента A практически не влияет на количество носителей заряда. Зависимость концентрации носителей заряда в полупроводнике с собственной проводимостью от температуры приведено на рисунке 8.
Наиболее известны такие полупроводники, как арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP, нитрид галлия GaN. Они применяются в составе светодиодов и полупроводниковых лазеров. Арсенид галлия GaAs и нитрид галлия GaN широко применяются для производства высокочастотных транзисторов. При этом нитрид галлия GaN и карбид кремния SiC являются относительно новыми полупроводниковыми материалами, применяемыми для производства мощных высоковольтных и высокочастотных транзисторов, стойких к воздействию радиации.
Дата последнего обновления файла 23.06.2020
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Вместе со статьей «Собственная проводимость полупроводников» читают:
Собственная и примесная проводимость полупроводников
Собственная и примесная проводимость полупроводников
В валентной зоне освобождаются квантовые состояния, которые электронами не заняты. Эти состояния называют дырками. Они являются носителями тока.
Электроны способны совершать квантовые переходы в незаполненные состояния. Заполненные состояния в этом случае освобождаются, то есть становятся дырками. В результате чего можно наблюдать появление равновесной концентрации дырок.
При отсутствии внешнего поля ее значение одинаковое по всему объему проводника. Квантовый переход сопровождается его перемещением против поля. Он способен уменьшить значение потенциальной энергии системы. Переход, который связан с перемещением в направлении поля, способен увеличить потенциальную энергию системы. При наличии преобладания количества переходов против поля над переходами по полю через полупроводник начнет протекать ток по движению приложенного электрического поля. Незамкнутый полупроводник характеризуется течением тока до тех пор, пока электрическое поле не будет компенсировать внешнее. Конечный результат такой же, как если бы в качестве носителей тока были не электроны, а положительно заряженные дырки. Отсюда следует, что различают два вида проводимости полупроводников: электронная и дырочная.
Носителя тока в металлах и полупроводниках считаются электроны, а дырки введены формально. Дырки в качестве положительно заряженных частиц не существует. Но перемещение в электрическом поле такое же, как и при классическом рассмотрении положительно заряженных частиц. Небольшая концентрация электронов в зоне проводимости и дырки в валентной зоне позволяют применять классическую статистику Больцмана.
Дырочная и электронная проводимости не связаны с наличием примесей. Ее называют собственной электропроводностью полупроводников.
Если имеется идеально чистый проводник без примесей, то каждому освобожденному электрону при помощи теплового движения или света соответствовало бы образование одной дырки, иначе говоря, количество электронов и дырок, участвующих в создании тока, было бы одинаковое.
Существование идеально чистых полупроводников невозможно, поэтому при необходимости их создают искусственным путем. Даже наличие малого количества примесей способно повлиять на изменение свойств полупроводника.
Примесная проводимость полупроводников
Электропроводность полупроводников, вызванная наличием примесей атомов других химических элементов, называют примесной электрической проводимостью.
Небольшое их количество способно существенно влиять на увеличение проводимости. В металлах происходит обратное явление. Примеси способствуют уменьшению проводимости металлов.
Увеличение проводимости с примесями объясняется тем, что происходит появление дополнительных энергетических уровней в полупроводниках, находящихся в запрещенной зоне полупроводника.
Донорные и акцепторные примеси
Пусть дополнительные уровни в запрещенной зоне появляются около нижнего края зоны проводимости. Если интервал, отделяющий дополнительные уровни энергии от зоны проводимости, мал при сравнении с шириной запрещенной зоны, то произойдет увеличение числа электронов в зоне проводимости, значит, сама проводимость полупроводника возрастет.
Примеси, которые перемещают электроны в зону проводимости, называют донорами или донорными примесями. Дополнительные энергоуровни получили название донорных уровней.
Пусть с введением примеси возникают добавочные уровни около верхнего края валентной зоны. В этом случае электроны из этой зоны переходят на добавочные уровни. Валентная зона характеризуется появлением дырок, так как появляется дырочная электропроводность проводника. Примеси такого рода получили название акцепторных. Дополнительные уровни, располагаемые в них, называют акцепторными.
Вид проводимости, которым обладает полупроводник, определяют по знаку эффекта Холла.
Легирование – это процесс введение примесей. Если примесный уровень обладает высокой концентрацией, то происходит их расщепление. Перекрытие границ соответствующих энергетических зон считается результатом процесса.
Объяснить, к какому типу примеси относят атомы мышьяка, бора, находящихся в кристаллической решетке кремния.
При рассмотрении бора в качестве примеси для кремния видно, что атом бора имеет наружную оболочку, состоящую из трех электронов. Атом бора захватывает четвертый электрон из соседнего места, находящегося в кристалле кремния. Именно там происходит появление дырки. Отрицательный ион бора, появившийся в ней, вытесняет атом кремния из кристаллической решетки и занимает его место. Говорят о возникновении в нем дырочной проводимости. Бор считается акцепторной примесью.
Ответ: мышьяк – донорная примесь, бор – акцепторная.
Даны термоэлементы с протеканием тока от металла к полупроводнику и наоборот. Объяснить, почему это происходит.
По условию, электронная и дырочная проводимость проходит в горячем спае. Это объясняется тем, что на конце электронного полупроводника с высокой температурой скорость электронов намного больше, чем в холодном. Отсюда следует, что электроны имеют возможность проходить от горячего конца к холодному до возникновения по причине перераспределения зарядов электрического поля и не останавливать поток диффундирующих электронов.
Только после установления равновесного состояния горячему концу, который потерял все электроны, соответствуют положительные заряды, а холодному – отрицательные. Можно сделать вывод, что имеется разность потенциалов между горячим и холодным концами с положительным знаком.
Дырочный полупроводник характеризуется обратным процессом. Диффузия идет от горячего конца к холодному, причем первый из них обладает отрицательным зарядом, а холодный – положительным. Получаем, что разности потенциалов имеют отрицательное значение, в отличие от электронного полупроводника.
Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников
§ 72. Собственная и примесная проводимости полупроводников
Собственная проводимость полупроводника увеличивается с повышением температуры. При неизменной температуре наступает динамическое равновесие между процессом образования дырок и рекомбинаций электронов и дырок. При таком условии количество электронов проводимости и дырок в единице объема сохраняется постоянным.
Рис. 102. Электронная и дырочная примеси
Атом мышьяка, находясь в узле кристаллической решетки германия, потеряв электрон, становится положительным ионом.
Он прочно связан с кристаллической решеткой германия, поэтому в образовании тока участия не принимает.
Энергия, необходимая для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости (см. рис. 96), называется энергией активизации. У примесных носителей тока она обычно во много раз меньше, чем у носителя тока основного полупроводника. Поэтому при незначительном нагревании, освещении освобождаются главным образом электроны атомов примеси. На месте ушедшего электрона в атоме донора образуется дырка. Однако перемещения электронов в дырки почти не наблюдается, т. е. дополнительная дырочная проводимость, создаваемая донором, очень мала. Это объясняется следующим. По причине небольшого количества атомов примеси ее электроны проводимости редко оказываются рядом с дыркой и не могут ее заполнить. А электроны атомов основного полупроводника хотя и находятся вблизи дырок, но не в состоянии их занять ввиду своего гораздо более низкого энергетического уровня.
Небольшое добавление донорной примеси делает число свободных электронов проводимости в тысячи раз больше, чем число свободных электронов проводимости в чистом полупроводнике при тех же условиях. В полупроводнике с донорной примесью основными носителями заряда являются электроны. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа.
Примеси, захватывающие электроны у основного полупроводника и, следовательно, увеличивающие в нем число дырок, называются акцепторными (принимающими) примесями. В качестве таких примесей используются элементы, атомы которых имеют меньшее количество валентных электронов, чем атомы основного полупроводника. Так, по отношению к германию акцепторными являются примеси индия, алюминия.
На месте ушедшего из атома германия электрона образуется дырка, которая является свободным носителем положительного заряда. Эта дырка может быть заполнена электроном А из соседнего атома германия и т. д. В полупроводнике с акцепторной примесью основными носителями заряда являются дырки. Такие полупроводники называются полупроводниками р-типа.
1. Физический энциклопедический словарь.- М., 1982.
