III.Полупроводники и их свойства.

Достижения современной электроники были бы невозможны, если бы не научились использовать кроме металлов другие вещества – диэлектрики и полупроводники. Деление этих твердых тел на три класса связано с вопросом концентрации в них свободных электронов.

Удельная проводимость металлов ≈ γ = 10^-6 ÷ 10^-8 Ом м (высокая концентрация электронов); γ_диэл = 10^-8 ÷ 10^-13 Ом·м (низкая концентрация электронов). Вещества, имеющие промежуточные свойства, составляют группу полупроводников: γ_полупр = 10^-6 ÷ 10² Ом·м.

Полупроводники– класс веществ, удельная проводимость которых изменяется в широких пределах и увеличивается с увеличением температуры (по экспоненциальному закону).

,

где Т – абсолютная температура,

b – постоянная, зависит от материала

В периодической системе Д.И. Менделеева полупроводники образуют группу элементов:

Наиболее типичными и широко распространёнными полупроводниками с хорошо изученными электрическими свойствами являются Ge, Si, Te. Отметим также, что не только нагревание, но и другие внешние воздействия на полупроводники – свет, рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, радиоактивное излучение – приводят к увеличению проводимости.

IV.Собственная и примесная проводимости полупроводников.

Существенным отличием полупроводников от проводников (металлов) является двойственная природа носителей заряда в полупроводниках.

Выбрасывание электрона из валентной зоны в зону проводимости означает не только появление электрона обеспечивающего ток в веществе, а также появление в ранее заполненной зоне дырки –вакантного места, на которое могут переходить другие электроны заполненной зоны. При возникновении электрического поля в движение придут электроны и дырки, которые будут перемещаться как положительные заряды. Соответствующие им токи (проводимости) называются электронные и дырочные (n – проводимость и р – проводимость). Отметим, что число дырок равно числу электронов перешедших в зону проводимости.

Время жизни электронов и дырок ограничено, т.к. электроны могут возвращаться из зоны электронной проводимости на вакантные уровни нижней зоны. При этом происходит рекомбинация электрона и дырки. τ_ср (время жизни) свободных носителей тока зависит от разных причин. При постоянной концентрации носителей в веществе существует динамическое равновесие.

Электропроводность химически чистого полупроводника называют собственной проводимостью. Полупроводники с собственной проводимостью встретить почти невозможно, поскольку такой материал должен быть идеальным кристаллом.

Разберем ещё вопрос: есть ли отличие в перемещении свободного электрона и электрона в периодическом поле решетки?

При движении свободного электрона не учитывается его взаимодействие с решеткой и ускорение . При учете взаимодействия с решеткой .

Эффект можно описать, введя понятие «эффективной» массы (m*)

m* – формально вводимая величина, зависит:

а) от структуры

б) от кинетической энергии электрона

Для Ge:

Эти рассуждения справедливы и для дырок. Общая удельная электропроводность полупроводников складывается из проводимостей n и р – типов.

γ = en_вU_в + en_рU_р,

где n – концентрация;

U – подвижность.

Для: разная подвижность из-за разной m*

В практическом применении полупроводников большее значение имеют примесные полупроводники. Ничтожные количества примесей резко меняют электрические свойства полупроводников. Под примесями понимают:

Дефекты в полупроводниках

а) атомы других элементов, нарушающие периодичность кристаллической решетки; б) наличие атома того же элемента не в узле, а между узлами (междоузлия); в) отсутствие атома вообще и т.д.

Причем, примесные атомы оказывают двоякое действие на электрические свойства проводников: увеличивают электронную или дырочную проводимость. Введение в проводники примесей приносит с собой и примесные энергетические уровни, которые располагаются в запрещенных зонах (локальные уровни).

Примеси могут служить дополнительными источниками электронов в кристалле. Например: при замещении четырёхвалентного атомаGe пятивалентным атомом Р, мышьяка As или сурьмы Sb, один электрон не может образоватьковалентной связии является «лишним».

Энергетический уровень «лишнего» электрона располагается ниже зоны проводимости. Подобные уровни, заполненные электронами, называются донорными, обеспечивают электронную проводимость (полупроводники n – типа).

Для As: ∆W_е = 0,054 эВ.

Если атом Ge заменить в решетке трехвалентным атомом Jn (B, Al), то возникает недостаток одного электрона для образования ковалентной связи. Недостающий электрон может быть заимствован у соседнего атома Ge в решетке, у которого появится положительная дырка. Эти примеси приводят к появлению в запретной зоне энергетических уровней ближе к заполненной зоне и поэтому побуждают электроны из близкорасположенной заполненной зоны перескакивать на эти уровни. Такие уровни называют акцепторными (проводимость дырочная или р – типа).

Для Si при введении В: ∆W_р = 0,08 эВ.

При одновременном введении в полупроводник донорных и акцепторных примесей характер проводимости определяется примесью с более высокой концентрацией носителей тока.