Билет №49. Зонная теория полупроводников, проводников и диэлектриков. Свободная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводники n и p-типа. Применение полупроводников.

Вещества, удельная электропроводность которого лежит между удельной электропроводностью проводников и диэлектриков, называется полупроводниками.

Объяснение электропроводности Ме, полупроводников и диэлек-триков даётся на основе квантовой теории строения кристаллических тел - зонной теории.

Атомные спектры твёрдых тел имеют сплошной характер или полосатую очень сложную структуру. Если два изолированных атома образуют между собой химическую связь, то с их сближением энергетический уровень системы понижантся, следуя потенциальной кривой до равновесного состояния r₀, отвечающему минимуму энергии.

При дальнейшем сближении вследствие быстрого возрастания сил отталкивания энергии системы вновь возрастает. При сближении большого числа атомов, равному числу Авогадро, происходит взаимное влияние энергетических уравней всех атомо, приводящее к тому, что уровни расширяются в полосу (зону). Сначала взаимодействуютвзаимодействуют уравни высоких энергий (удалённых от ядра) и и свободных от электрона.

При дальнейшем сближении взаимодействуют уравни, расположенные ближе к ядрам и заполненные вален-тными электронами. Зона, заполненная валентными электронами, называется валентной зоной, свободная от электронов зона - зоной проводимости. В Ме ЗП и ВЗ перекрываются; в полупроводниках - нет.

Расстояние между ЗП и ВЗ называется запретной зоной. Полупроводники отличаются от диэлектриков шириной ЗЗ. У диэлекрика ЗЗ значительно больше. На границе между полупроводником и диэлектриком находится корборунд SiC.

При температуре 0К и при отсутствии иных внешних воздействий полупроводники являются диэлектриками (изоляторами).

Рассмотрим преобразование кристалла кремния., находящегося в возбуждённом состоянии (в каждой клетке по 1 электрону). Каждый атом кремния притягивает по 1 электрону от каждого из четырёх соседних атомов и образуется валентная зона 3S²3P⁶. Все валентные состояния заняты.

Электронам перемещаться некуда. С наложением электрического поля при температуре 0К такой кристалл не обладает про-водимостью и ведёт себя как диэлектрик. При повышении температуры начинается тепловое движение элек-тронов. Может наступить момент, когда энергии электрона будет достаточно, чтобы преодалеть ЗЗ и перемес-титься в ЗП. Когда он туда переходит, в валентной области остаётся положителный заряд - дырка. Количество электронов равно количеству дырок. Движение электронов и дырок хаотическое в отсутствие внешнего электри-ческого поля. При наложении поля электроны движутся к положительному полюсу, а дырки - к отрицательному.

Движение дырок: от соседнего атома можеь оторваься электрон и перейти к дырке. У соседнего атома появляется дырка и т.д. Движение дырок имеет эстафетный характер. По сути дела движутся электроны в ВЗ, а смещаются дырки в противоположном направлении.

Вывод: таким образом, в ВЗ и ЗП движутся электроны, но носителями заряда в ЗП являются электроны, а в ВЗ заряд обусловлен дырками.

Проводимость, обусловленная временным движением электронов и дырок, называется собственной проводимостью. Практическое значение имеет примесная проводимость.

Рассмотрим электронную проводимость с точки зрения зонной теории на примере SiP. Берётся чистый полупроводник и чистая примесь, чтобы добиться заданных свойств. Кремний с примесью P - это полупроводник с электронной проводимостью. Пятый электрон фосфора не участвует в образовании связи и может свободно перемещаться по кристаллу, не образуя дырок.

Примесь, обуславливающая электронную проводимость полупроводника, называется донорной.

Примесные атомы образуют свои собственные примесные уровни. Примесные донарные уровни располагаются в вверхней части запрещённой области, но ниже дна ЗП. Разность между энергией дна ЗП и энергией донарного примесного уровня называется энергией активации донара (Ед). Эта энергия будет меньше энергии ЗЗ, т.е. нужна небольшая энергия, чтобы перебросить электрон атома фосфора в ЗП. Электроны кремния в ВЗ не перемещаются и в проводимости не участвуют. Проводимость обусловлена только электронами примеси.

Проводники, в которых проводимость обусловлена только движением электронов, называются полупроводниками n-типа.

Дырочная проводимость возникает, когда примесь имеет валентность меньше, чем атомы основного элемента. В качестве примеси возьмём аллюминий. При образовании 4-х ковалентных связей с атомами кремния у каждого атома аллюминия недостаёт по одному электрону. Поэтому один электрон кремния переходит к аллюминию. Переход электронов сопровождается образованием дырок. Дырка не может заполниться и свободно перемещается по всему кристаллу. Вывод: таким образом, за счёт перемещения электронов образуется движение дырок.

Примесь, обуславливающая дырочную проводимость полупроводника, называется акцепторной.

Акцепторные примесные уровни расположены в нижней части ЗЗ над потолком ВЗ. Электрон переходит из ВЗ на акцепторный примесный уровень. В ВЗ появляются дырки - дырочная проводимость. Разность между энергией акцепторного примесного уровня и энергии потолка ВЗ называется энергией активации акцептора. Она много меньше энергии ЗЗ, поэтому электрон легче переходит на примесный уровень, чем в ЗП.

Полупроводники с дырочной провдимостью называются полупроводниками p-типа.

Применение полупроводников.

- в устройстве сопротивлений;

- полупроводниковый диод служит для выпрямления переменного электрического тока. Они состоят из соединённых вместе полупроводников n и p-типа. Диод проводит ток в одном направлении (когда соединяется + с + и - с -).

- сульфидыселениды свинца используют в качестве фотосопротивлений для измерения светового потока;

- в солнечных батареях, превращающих световую энергию в электрическую;

- в транзисторах.

Вообще свойства полупроводника проявляются при наличии контакта между полупроводниками n и р-типа. Такие контакты называются р-n-переходами.