2018-02-14
1025
Собственными полупроводниками являются химически чистые полупр-ники, а их проводимость называется собственной проводимостью. Примером собственных полупр-ников могут служить химически чистые Ge, Se, а также многие химические соединения: InSb, GaAs, CdS и др. При О К и отсутствии других внешних факторов собственные полупроводники ведут себя подобно диэлектрикам. При повышении же температуры электроны с верхних уровней валентной зоны I могут быть переброшены на нижние уровни зоны проводимости II. При наложении на кристалл электрического поля они перемещаются против поля и создают электрич. ток. Таким образом, зона II из-за ее частичного «укомплектования» эл-нами становится зоной проводимости. Проводимость собственных полупроводников, обусловленную электронами, называют электронной проводимостью или проводимостью n-типа (от лат. negative — отрицат.). В результате тепловых забросов электронов из зоны I в зону II в валентной зоне возникают вакантные состояния, получившие название дырок. Во внешнем электрическом поле на освободившееся от электрона место — дырку — м-т переместиться эл-н с соседнего уровня, а дырка появится в том месте, откуда ушёл электрон, и т. д. Такой процесс заполнения дырок эл-нами равносилен перемещению дырки в направлении, противоположном движению электрона, так, как если бы дырка обладала положительным зарядом, равным по величине заряду электрона. Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами — дырками, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-типа ( от лат. positive — положительный). Для «переброса» электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости затрачивается энергия активации, равная ширине запрещённой зоны ΔЕ (проводимость полупроводников ¾ всегда активированная). При появлении же электрона в зоне проводимости в валентной зоне обязательно возникает дырка. В полупроводниках наряду с процессом генерации электронов и дырок идет процесс рекомбинации ¾ электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону, отдавая энергию решётке и испуская кванты электромагнитного излучения.
|
|
|
|
|
Выделяют также 2-ой тип полупроводников, для к-рых характерна проводимость, обусловленная примесями (атомами посторонних элементов) ¾ примесная проводимость. Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Результатом внедрения в структуру полупр-ка элемента с иной валентностью, в образовавшемся материале нарастает возможность появления избыточных электронов (донорная примесь на основе элемента с большей валентностью) или дырок (акцепторная примесь – элемент с валентностью на единицу меньшей ). Например, при введении в кремний (Si) примерно 0,001 % атомов бора его проводимость увеличивается примерно в 106 раз
|
|
|
Вопрос 56. Примесная проводимость в полупроводниках. Электрические свойства контакта полупроводников n-типа и р-типа
Выделяют также 2-ой тип полупроводников, для к-рых характерна проводимость, обусловленная примесями (атомами посторонних элементов) ¾ примесная проводимость. Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Результатом внедрения в структуру полупр-ка элемента с иной валентностью, в образовавшемся материале нарастает возможность появления избыточных электронов (донорная примесь на основе элемента с большей валентностью) или дырок (акцепторная примесь – элемент с валентностью на единицу меньшей ). Например, при введении в кремний (Si) примерно 0,001 % атомов бора его проводимость увеличивается примерно в 106 раз
Образование примесной проводимости полупр-ников удобно рассмотреть на примере образцов на основе Ge и Si, в к-рые вводятся атомы с валентностью, отличной от валентности основных атомов на единицу. Например, при замещении атома Ge пятивалентным атомом мышьяка (As) (т.е., при имплантации атома As в матрицу, образованную Ge) один электрон не может образовать ковалентной связи, он оказывается лишним и может быть легко при тепловых колебаниях решётки отщеплен от атома, т.е. стать свободным. Образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентной связи, следовательно, дырка не возникает. Избыточный положит. заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и поэтому перемещаться внутри образца материала не может. С точки зрения зонной теории, рассмотренный процесс можно представить таким образом. Введение примеси искажает электрич. поле решётки, что приводит к смещению энергетич. состояний и возникновению в запрещенной зоне примесного энергетич. уровня валентных электронов As ( рис. 3, а). В случае Ge с примесью As этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии ΔE 0 = 0,013 е V. Так как ΔE 0 < kT, то уже при обычных темп-рах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости. Образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в проводимости не участвуют. Т. о., в полупр-никах с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, носителями тока являются электроны, возникает электронная примесная проводимость ( проводимость n-типа ). Полупроводникис такой проводимостью называют электронными ( или полупроводниками n-типа). Энергетич. уровни донорных примесей называют донорными.
Ø Если же в решётку Si имплантирован примесный атом с трeмя валентными эл-нами, напр-р, бор (В) - для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома В не хватает одного электрона. Одна из ковалентных связей остается неукомплектованной, и четвёртый электрон может быть захвачен от соседнего атома основного вещества, где соответственно образуется дырка. По зонной теории, введение 3-валентной примеси в решетку Si приводит к возникновению в запрещённой зоне примесного энергетич. уровня, не занятого электронами ( рис. 3, б). Т.о., в полупр-никах с примесью, валентность которой на ед-цу меньше валентности основных атомов, носителями тока являются дырки - возникает дырочная проводимость ( проводимость р-типа). Полупроводникис такой проводимостью называются дырочными (или полупр-никами р-типа). Энергетич. уровни этих примесей называют акцепторными.
|
|
|
Фотопроводимость полупроводников — увеличение электропроводности полупр-ников под действием электромагнитного излучения (следствие внутреннего фотоэффекта) ¾ м-т зависеть от свойств как основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. Возможны «перебросы» эл-нов из валентной зоны в зону проводимости ¾ это ведёт к появлению добавоч. (неравновесных) эл-нов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). В результате возникает собственная фотопроводимость, обусловленная как эл-нами, так и дырками. При поглощении света примесными центрами происходит переход эл-нов с донорных уровней в зону проводимости в случае полупр-ника n- типа или из валентной зоны на акцепторные уровни в случае полупр-ника р- типа. Тогда говорят о примесной фотопроводимости, являющейся чисто электронной для полупр-ников n- типа и чисто дырочной для полупр-ников р- типа.
Границу соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой — дырочную проводимость, именуют электронно-дырочным переходом (или p-n-переходом). Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупр-никовых приборов.
«Толщина слоя p-n- перехода в полупр-никах составляет примерно 10 - 6 … 10 -7 м , а контактная разность потенциалов — десятые доли Bольт. Носители тока преодолеть такую разность потенциалов способны лишь при температуре в неск-ко тыс. градусов, т. е. при обычных температурах равновесный контактный слой является запирающим (характеризуется повышенным сопротивлением – обеднён носителями, рис.4). Сопротивление запирающего слоя м-но изменить с помощью внешнего электрич. поля. Если приложенное к p-n -переходу внешнее электрич. поле Е направлено от n -полупр-ника к р- полупр-нику (рис. 4, а), т. е. совпадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n- полупр-нике и дырок в р- полупр-нике от границы p-n- перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет. Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называют запирающим (обратным). В этом направлении электрич. ток через p-n- переход практически не проходит.
|
|
|
Ток в контактном слое полупр-ников в запирающем направлении образуется лишь за счет неосновных носителей тока (электронов в р- полупр-нике и дырок в n- полyпр-нике ). Если приложенное к p-n- переходу внешнее электрич. поле направлено противоположно полю контактного слоя ( рис.4, б), то оно вызывает движение электронов в n- полупроводнике и дырок в р- полупр-нике к границе p-n- перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются. Следоват-но, в этом направлении электрический ток проходит сквозь p-n- переход в направлении от р -полупр-ника к n -полупр-нику; оно называется пропускным (прямым). Т. о., p-n- переход (как и в случае контакта металла с полупр-ником) обладает вентильной проводимостью. Электро- или радиотехнич. устройства на основе p-n- перехода называют полупроводниковыми диодaми, важным их преимуществом является экономичность и компактность (миниатюрность). Широкое применение в устройствах усиления сигналов или обработки информации нашли такжеполупр-ковые триоды (транзисторы) ¾ в схемах последних используют так наз. p-n-p- переходы или n-p-n- переход
