что такое собственная проводимость полупроводников

Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников.

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.

Источник

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.

Источник

Собственная проводимость полупроводников

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 n_i. Она описывается следующей формулой:

и равная ей концентрация дырок p_i, в валентной зоне:

В химически чистых полупроводниках уровень Ферми совпадает с серединой запрещенной зоны W_i, а значит А_n = А_р = 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:

Источник

Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости

Урок 58. Физика 10 класс ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости»

Существует широкий класс веществ, по удельной проводимости занимающие промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Эти вещества принято называть полупроводниками.

К полупроводникам относят двенадцать химических элементов в средней части таблицы Менделеева, множество оксидов и сульфидов металлов, а также других химических соединений.

Давайте изучим основные свойства проводников с помощью двух простых опытов. Для этого соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, ключа, чистого полупроводника и миллиамперметра. Замкнём цепь. Амперметр нам показывает, что по цепи идёт достаточно слабый ток. А теперь нагреем исследуемый полупроводник.

Нетрудно заметить, как по мере роста его температуры сила тока в цепи возрастает. Это свидетельствует о том, что удельное сопротивление полупроводников с увеличением температуры не растёт как у металлов, а, наоборот, достаточно резко уменьшается. При этом зависимость сопротивления полупроводников от температуры является нелинейной. С понижением же температуры сопротивление полупроводников возрастает и вблизи абсолютного нуля становится таким же большим, как и у диэлектриков.

Давайте вернём наш полупроводник в исходное состояние, но теперь будем не нагревать его, а освещать при помощи обычного фонарика. Изменяя освещённость поверхности полупроводника, мы наблюдаем изменение показаний миллиамперметра. Результаты наших наблюдений означают, что при освещении поверхности полупроводника его сопротивление уменьшается.

Экспериментально установлено, что при прохождении электрического тока в чистых полупроводниках, как и в металлах, никаких химических изменений не происходит, то есть перенос заряда при прохождении тока не сопровождается переносом вещества.

Давайте рассмотрим механизм проводимости чистых полупроводников на примере кристалла германия, валентность атомов которого равна четырём. Такая валентность говорит нам о том, что атомы германия на внешней оболочке имеют четыре сравнительно слабо связанных с ядром валентных электрона. При этом каждый атом кристалла связан с четырьмя соседними атомами посредством парноэлектронной — ковалентной связи. То есть два соседних атома объединяют два своих валентных электрона (по одному от каждого атома), которые образуют электронную пару. Поэтому все валентные электроны атома германия участвуют в образовании ковалентных связей.

При температурах, близких к абсолютному нулю, ковалентные связи германия достаточно прочны, поэтому свободные электроны отсутствуют, и германий является диэлектриком.

Для того чтобы разорвать ковалентную связь и сделать электрон свободным, кристаллу германия необходимо сообщить некоторую энергию, например, нагревая кристалл. При этом часть электронов получает энергию, достаточную для того, чтобы покинуть атомы и стать свободными, подобно электронам в металлах. В электрическом поле они перемещаются между узлами решётки, создавая электрический ток.

Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью.

Нейтральный атом, которому принадлежал освободившийся электрон, становится положительно заряженным ионом, а в ковалентных связях образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой.

Одновременно с процессом возникновения свободных электронов и дырок происходит процесс, при котором один из электронов (не свободный, а обеспечивающий ковалентную связь) перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает ковалентную связь. При этом положение дырки меняется, что можно моделировать как её перемещение. Таким образом, при отсутствии внешнего электрического поля в кристалле полупроводника наблюдается беспорядочное перемещение свободных электронов и дырок, концентрации которых в чистом полупроводнике одинаковые.

Дырки считают подвижными носителями положительного заряда, который равен модулю заряда электрона. Проводимость, обусловленная движением дырок, называется дырочной проводимостью полупроводников.

Конечно же дырок как положительных зарядов, существующих реально, в действительности нет. Тем не менее представление о них является хорошей физической моделью, которая даёт возможность рассматривать электрический ток в полупроводниках на основе законов физики.

При наличии внешнего электрического поля на хаотическое движение свободных электронов и дырок накладывается их упорядоченное движение, то есть возникает электрический ток. Причём движение свободных электронов происходит в направлении, противоположном направлению напряжённости внешнего электрического поля, а движение дырок совпадает с направлением напряжённости поля

Проводимость, обусловленная движением свободных электронов и дырок в чистом полупроводнике, называют собственной проводимостью полупроводника.

Но изменить свойства полупроводников можно не только нагреванием или воздействием электромагнитного излучения, но и добавлением в чистый полупроводник примесей.

Проводимость, обусловленную наличием примесей в полупроводнике, называют примесной проводимостью полупроводника.

Рассмотрим механизм этой проводимости на примере кристалла германия, содержащего примесь атомов мышьяка, валентность которых равна пяти.

Итак, четыре валентных электрона атома мышьяка образуют ковалентные связи с соседними атомами германия. Пятые электроны атомов мышьяка не задействованы в образовании ковалентных связей и могут свободно перемещаться, почти как электроны в металлическом проводнике. Проводимость такого кристалла будет преимущественно электронной. Такие полупроводники называют электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа (от латинского отрицательный).

Примеси, поставляющие в полупроводники свободные электроны без возникновения равного им количества дырок, называют донорными (то есть, отдающими). Удельное сопротивление полупроводника с содержанием таких примесей резко уменьшается и может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.

А теперь давайте заменим атомы мышьяка, на атомы трёхвалентного индия. Очевидно, что валентные электроны атома индия образуют ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвёртым атомом германия у атома индия электрона нет. Поэтому возле каждого атома индия одна из ковалентных связей будет незаполненной, то есть возникает дырка. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. Но при этом дырка образуется на том месте, где до этого находился электрон.

В результате введения такой примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются дырки. Проводимость такого кристалла будет преимущественно дырочной.

Такие полупроводники называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа (от латинского положительный).

Примеси, наличие которых в полупроводнике приводит к образованию дырок, не увеличивая при этом числа свободных электронов, называют акце́пторными (то есть принимающими). Удельное сопротивление полупроводников, содержащих акцепторные примеси, также резко уменьшается.

Наиболее интересные явления происходят при контакте полупроводников п— и р-типов. Эти явления используются в большинстве полупроводниковых приборов.

Контакт двух проводников с разным типом проводимости называется электронно-дырочным переходом или, сокращённо, п—р-переходом.

Концентрация свободных электронов в n-области значительно выше, чем в p-области, соответственно концентрация дырок, то есть вакантных мест в p-области значительно больше их концентрации в n-области.

Как только полупроводники приводят в контакт, начинается диффузия электронов из области с проводимостью n-типа в область с проводимостью p-типа и соответственно переход дырок в обратном направлении. Перешедшие в полупроводник p-типа электроны занимают свободные места, происходит процесс рекомбинации электронов и дырок, а попавшие в полупроводник n-типа дырки также исчезают благодаря электронам, занимающим вакантное место.

В результате диффузии на границе между этими областями образуется двойной электрический слой разноимённо заряженных ионов, толщина которого не превышает долей микрометра. Между слоями ионов возникает электрическое поле, которое препятствует дальнейшему переходу основных носителей заряда через границу раздела. Иными словами, в зоне перехода между полупроводниками разных типов образуется так называемый запирающий слой.

Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, лампочки и полупроводника с n—p-переходом. При этом положительный полюс источника тока подключим к p-области, а отрицательный — к n-области. При замыкании цепи лампочка будет светиться. Вывод очевиден: в цепи проходит электрический ток.

Объяснить это явление можно так. Под действием электрического поля, созданного источником тока, запирающий слой начинает исчезать, так как напряжённость внешнего электрического поля источника противоположна по направлению напряжённости поля запирающего слоя и практически полностью компенсирует её. Это приводит к возобновлению диффузии основных носителей заряда через n—p-переход. В этом случае n—p-переход включён в прямом или, говорят, в пропускном направлении.

А теперь поменяем подключение полупроводника к источнику тока.

При замыкании цепи лампочка не светится, то есть ток в цепи отсутствует. Причина в том, что толщина запирающего слоя и, следовательно, его сопротивление увеличиваются, так как направление напряжённости электрического поля, созданного источником, совпадает с направлением напряжённости поля запирающего слоя.

В этом случае n—p-переход включён в обратном (запирающем) направлении и ток через переход практически отсутствует (если не учитывать ток, созданный неосновными носителями, концентрация которых мала по сравнению с концентрацией основных носителей тока).

Таким образом, n—p-переход в полупроводнике обладает односторонней проводимостью.

Это свойство полупроводников широко используется в приборах, называемых полупроводниковыми диодами. Они являются основными элементами выпрямителей переменного тока и детекторов электромагнитных сигналов.

Источник