Vse_lektsii

12

При достаточно высокой температуре собственная проводимость наблюдается во всех без исключения полупроводниках.

В полупроводниках, содержащих примесь, электропроводность слагается из собственной и примесной проводимостей.

Примесная проводимость полупроводников

Примесная проводимость полупроводников возникает, если некоторые атомы данного полупроводника заменить в узлах кристаллической решётки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов.

Решётка германия с примесью пятивалентных атомов фосфора.

Для образования ковалентных связей атому фосфора достаточно четырёх электронов. Пятый валентный электрон легко отщипляется от атома за счёт теплового движения, образуя странствующий свободный электрон. При этом этот электрон не образует дырки, т.к. избыточный положительный заряд .возникающий в окрестности

атома примеси связан с этим атомом и перемещаться по решётке не может.

Таким образом, в полупроводнике с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, имеется только один вид носителей тока – электроны (полупроводник п-типа от слова negative). Атомы примеси, поставляющие электроны проводимости, называются донорами.

У трёхвалентного атома примеси (бора) в решётке кремния недостаточно электронов для образования связей со всеми четыремя соседями. Поэтому одна из связей оказывается местом, способным захватить электрон. При переходе на это место электрона из соседней пары возникает дырка, которая будет кочевать

по кристаллу. Избыточный отрицательный заряд вблизи атома примеси не связан с данным атомом и не может стать носителем тока.

Полупроводники с дырочной проводимостью принадлежат к р-типу

(от слова positive).

13

Примеси, вызывающие возникновение дырок, называются акцепторными (валентность примеси на единицу меньше валентности основных атомов).

Примеси искажают поле решётки, что приводит к возникновению на энергетической схеме примесных уровней, расположенных в запрещённой зоне кристалла.

Уровень Ферми в полупроводниках п-типа располагается в верхней половине запрещённой зоны, а в полупроводниках р-типа – в нижней половине запрещённой зоны. При повышении температуры уровень Ферми в полупроводниках обоих типов смещается к середине запрещённой зоны.

Существенное влияние на электрические свойства кристалла происходит если донорские уровни расположены недалеко от дна зоны проводимости или если акцепторные уровни расположены недалеко от потолка валентной зоны.

При повышении температуры концентрация примесных носителей тока быстро достигает насыщения и всё в большей степени начинает сказываться собственная проводимость.

При низких температурах преобладает примесная, а при высоких – собственная проводимость.

Лекция 20

Фотопроводимость полупроводников.

Фотопроводимость полупроводников – это электрическая проводимость, возбуждённая электромагнитным излучением за счёт обусловленного действием света перераспределением электронов по энергетическим уровням.

Фотопроводимость обусловлена внутренним фотоэффектом. В полупроводнике под действием света образуются дополнительные неравновесные носители тока.

14

Общая удельная электрическая проводимость полупроводника

В примесных донорных и акцепторных полупроводниках электроны под действием света могут переходить из валентной зоны на уровни примеси или с примесных уровней в зону проводимости.

Требование к энергии фотона Еа , где Еа энергия

активации соответствующей проводимости, означает, что существует

красная граница внутреннего фотоэффекта

Видимый и ультрафиолетовый свет может вызвать фотопроводимость не только полупроводников, но и диэлектриков, у которых Е > 2 эВ.

У примесных полупроводников энергия активации проводимости ~

15

На внутреннем фотоэффекте основано действие фотосопротивлений. Количество образующихся носителей тока пропорционально падающему световому потоку. В видимой части спектра применяются фотосопротивления , изготовленные из сернистого кадмия CdS. Фотосопротивления из PbS, PbSe, PbTe , InSb используются в качестве детекторов инфракрасного излучения (Sb – сурьма)

В области р-п перехода или на границе металла с полупроводником может наблюдаться вентильный фотоэффект. Он заключается в возникновении под действием света электродвижущей силы (фото-ЭДС).

Сплошная кривая – ход потенциальной энергии электронов в (р-п)-переходе.

Неосновные для данной области носители (электроны в р-области и дырки в п-области), возникшие под действием света, беспрепятственно

отрицательный. Это приводит к возникновению разности потенциалов, которое и представляет собой фото-ЭДС. Если подключить кристалл с (р-п)- переходом к внешней нагрузке, то в ней будет течь ток. На этом основано действие фотометров и солнечных батарей.

Эффект Холла в полупроводниках

В полупроводниках так же как и в металлах наблюдается эффект Холла, т.е. возникновение разности потенциалов в направлении перпендикулярному взаимно перпендикулярным векторам магнитного поля

19

Если температура в точках А и В одинакова (ТА = ТВ) то ток в цепи не потечёт, поскольку стыки полностью идентичны. Если ТА > TВ , то в цепи потечёт ток, появление которого обусловлено несколькими причинами.

1) Работа выхода и энергия Ферми у различных веществ по разному зависят от температуры, вследствие чего контактная разность потенциалов в областях стыков будет разная и появляется термо-ЭДС EТ , которая

сложным образом зависит от материалов проводников 1 и 2 и температуры стыков.

2) В области горячего стыка А средняя скорость электронов больше чем в области стыка В и возникают диффузионные потоки электронов от А к В, которые зависят от материала и поэтому в проводниках 1 и 2 будут разные.

3) Разные температуры в областях А и В приводят к появлению тепловых потоков фононов , которые, взаимодействуя с электронами, передают им свой импульс и тем самым увлекают их за собой. Потоки электронов будут направлены от горячих областей к холодным, но они будут различными для проводников из разных материалов.

Фононом принято называть квант энергии колебаний квантового осциллятора. Понятие фонона распространяют и на упругие колебания в

взаимодействии фононов между собой и с другими частицами их энергию и импульс необходимо учитывать при записи законов сохранения энергии и импульса.

Появление тока в цепи можно использовать в тепловых генераторах тока, но к.п.д. таких генераторов на проводниках очень мал (доли процента).

Термопары. Эффективно использовать контактный переход двух проводников можно для измерения температуры.

EТ

Если один из проводников имеет разрыв, то тока в цепи не будет, а в месте разрыва появится разность потенциалов, которую можно измерить компенсационным вольтметром. Такое устройство называют термопарой. ЭДС термопары сложным образом зависит как от материала термопары, так

20

и от температуры областей А и В. Для измерения температуры один из стыков термопары помещают в сосуд с тающим льдом (0оС), а другой в точку, где измеряется температура.

Для каждой термопары составляют зависимость «температура горячего спая – ЭДС» ( Т = f(ET) ), которая почти всегда нелинейная.

Контакт двух полупроводников

потенциалов .

За счёт малой концентрации электронов и дырок в области контакта полупроводников толщина переходного слоя будет равна примерно 10-6 м. Она значительно превышает межатомное расстояние и длину свободного пробега электронов и дырок. Поэтому обеднение переходного слоя носителями заряда не восполняется в полной мере их проникновением из областей 1 и 2.

Наибольшее практическое значение имеет контакт двух идентичных полупроводников п- и р-типа, например, кремния, легированного донорными и акцепторными примесями.

Контактные явления в р-п-переходе нагляднее анализировать с помощью понятий «электроны – дырки», «основные – неосновные носители».

21

Левая часть кристалла (р-типа) содержит основные носители – дырки, примерно такое же количество отрицательных акцепторных ионов и незначительное количество электронов.

Правая часть (п-типа) содержит основные носители – электроны, положительные донорные ионы и небольшое количество дырок. Для примера положим, что основных носителей в 106 раз больше, чем неосновных.

Вследствие хаотичного движения электроны устремляются из п- области в р-область, а дырки – в обратном направлении, где они рекомбинируют вблизи границы раздела. В результате этого вблизи контакта практически не остаётся свободных носителей, а имеются только неподвижные ионы, которые создают вблизи контактной плоскости двойной слой зарядов – слева отрицательных, справа – положительных.

вольта.

Потенциальная энергия электрона, изображённая на рисунке сплошной линией, выше в р-области, а для дырок – в п-области.

Высота потенциального энергетического барьера – е..∆φ.