Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про электропроводность полупроводников, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое
электропроводность полупроводников, полупроводник, проводимость полупроводников, энергетические уровни, энергетические зоны, собственные полупроводники , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.
полупроводник — материал, по удельной проводимости занимающий промежуточное место между проводниками и диэлектриками, и отличающийся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводников является увеличение электрической проводимости с ростом температуры .
Полупроводниками являются кристаллические вещества, ширина запрещенной зоны которых составляет порядка электрон-вольта (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам (около 7 эВ), а арсенид индия — к узкозонным (0,35 эВ). К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.).
Атом другого химического элемента в чистой кристаллической решетке (например, атом фосфора, бора и т. д. в кристалле кремния) называется примесью. В зависимости от того, отдает ли примесной атом электрон в кристалл (в вышеприведенном примере – фосфор) или захватывает его (бор), примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решетки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
проводимость полупроводников
Электропроводность – это свойство веществ проводить электрический ток.
Электрический ток – это направленное движение свободных носителей заряда.
Количественно электропроводность характеризуется:
1. удельным электрическим сопротивлением ρ (Ом.см);
2. электрической удельной проводимостью σ =1/ρ;
3. концентрацией свободных носителей заряда в веществе n -(эл/см3).
В зависимости от способности проводить электрический ток, все вещества делятся на три группы: проводники (металлы), полупроводники и диэлектрики.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.
электропроводность полупроводников можно рассматривать с позиций классической механики, то есть считать, что одновременно измеримы координаты и импульс как электронов, так и дырок, и что можно отслеживать движение каждого электрона и дырки индивидуально. Показать это можно, рассмотрев функцию занятости состояний (4.5) в случае сравнительно узкой запрещенной зоны (см. рис. 4.12). На нем штриховкой отмечены занятые электронами состояния. Проанализировав зависимости, изображенные на рис. 4.12, можно сделать 2 вывода.
Рис. 4.12.
Распределение электронов по состояниям в полупроводнике
Первое, поскольку число электронов в зоне проводимости должно равняться числу дырок в валентной зоне, то площади 1 и 2 должны быть приблизительно равны (с малыми поправками на величины эффективных масс электрона и дырки и трехмерное распределение состояний в пространстве волновых векторов). Это достигается, если уровень Ферми совпадает с серединой запрещенной зоны. Это утверждение можно доказать и более строго (см. [1, 2, 3]).
Второе, так как
, то формула (4.5) для вычисления вероятности встретить электрон в зоне проводимости (и дырки в валентной зоне) превращается в распределение Больцмана:
(4.23)Это позволяет при описании поведения электронов и дырок использовать классические подходы. Величину
удобно отсчитывать от верхнего края валентной зоны, что мы и будем подразумевать при дальнейшем изложении.
Важнейшим признаком полупроводников является сильная зависимость их электр. сопротивления, от температуры, степени освещенности, уровня ионизирующего излучения, количества примесей….
В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов в основном используются следующие полупроводники:
- четырехвалентные - германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (AsGa);
- трехвалентные - алюминий (Al), индий (Jn), бор (В);
- пятивалентные – фосфор (P), сурьма (Sb), мышьяк (As).
Валентность вещества, определяет число электронов на внешней оболочке атома.
Все полупроводники можно разбить на две группы:
чистые, собственные, беспримесные или ПП i-типа –они состоят из атомов одного сорта;
примесные или легированные – в них часть атомов собственного ПП заменяется на атомы ПП другого сорта. Процесс введения примесей в полупроводник называется легированием.
энергетические уровни и зоны
Электропроводность веществ удобно объяснять зонной теорией.
В соответствии с квантовой теорией энергия электрона, вращающегося по своей орбите вокруг ядра, не может принимать произвольных значений.
Согласно принципу Паули на одном энергетическом уровне не может находится более двух электронов, причем спины этих электронов должны быть противоположны.
В результате этого в твердых телах происходит расщепление энергетических уровней электронов, на большое количество почти сливающихся подуровней (рис. 1.3), образующих
энергетические зоны . Разрешенная зона, в которой при температуре абсолютного нуля все энергетические зоны заняты электронами, называется валентной.
Разрешенная зона, в которой при температуре абсолютного нуля электроны отсутствуют, называется зоной проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости расположена запрещенная зона; ∆W – ширина запрещенной зоны.
Рис Расщепление энергетических уровней электронов в твердых телах
Рис Зонные энергетические диаграммы различных твердых веществ:
а – проводник; б – полупроводник; в – диэлектрик
Виды полупроводников
По характеру проводимости
Собственная проводимость
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».
Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:
где 
— удельное сопротивление, 
— подвижность электронов, 
— подвижность дырок, 
— их концентрация, q — элементарный электрический заряд (1,602⋅10−19 Кл).
Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула принимает вид:
собственные полупроводники
Атомы собственного полупроводника располагаются в пространстве в строго определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Она возникает за счет обобществления валентных электронов соседними атомами и называется ковалентной.
Плоская модель кристаллической решетки собственного четырехвалентного полупроводника приведена на рис.2.1.
Рис 2.1 Плоская модель кристаллической решетки собственного четырехвалентного полупроводника
В собственных полупроводниках при Т=0оK свободных носителей заряда нет. Все электроны участвуют в образовании ковалентной связи, и полупроводник является диэлектриком.
С повышением температуры электроны приобретают дополнительную энергию, и некоторые из них покидают ковалентные связи, становясь свободными. При этом образуется два свободных носителя заряда: электрон и дырка (вакансия). Дырку можно рассматривать, как свободный положительный носитель заряда.
Процесс образования свободного электрона и дырки называется генерацией электронно-дырочной пары.
Свободные электроны, двигаясь по объему полупроводника, теряют часть своей энергии и могут занимать место дырки. Этот процесс взаимного исчезновения электрона и дырки называется рекомбинацией. В результате рекомбинации электрон и дырка перестают существовать.
В чистом беспримесном полупроводнике (их называют полупроводниками i – типа) всегда выполняется условие ni = pi причем
где: ni и pi – соответственно концентрация электронов и дырок в полупроводнике;
А - постоянный коэффициент; Т - температура по шкале Кельвина;
ΔЕ - ширина запрещенной зоны (это энергия, которую должен приобрести электрон, чтобы разорвать ковалентную связь и стать свободным, она зависит от материала полупроводника). Она составляет 0,803 эВ для Ge, для Si - 1,12эВ, а для GaAs - 1,43эВ; k – постоянная Больцмана.
Чистые полупроводники при создании полупроводниковых приборов практически не используются, так как их электропроводность зависят только от температуры и других внешних факторов.
Примесная проводимость
Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.
Примесные полупроводники
Для создании пп приборов обычно используют примесные полупроводники.
В зависимости от валентности введенной примеси различают двух типов примесных полупроводников: p и n- типа.
Полупроводники n-типа. Их получают путем введения в собственный, обычно 4-х валентный полупроводник, атомов 5-и валентной примеси. Каждый атом примеси создает свободный электрон и неподвижный положительно заряженный ион атома донорной примеси. Примесь, создающая свободные электроны, называется донорной. В целом, такой полупроводник остается электрически нейтральным.
Плоская модель кристаллической решетки полупроводника с донорной примесью (рис.).
В полупроводнике n-типа основными свободными носителями заряда (их больше, чем дырок) являются электроны с концентрацией nn.,:
ND - концентрация атомов донорной примеси;
ni -концентрация электронов в собственном полупроводнике, они возникают за счет термогенерации;
nn - концентрация электронов в полупроводнике n-типа,
Дырки в полупроводнике n-типа называют неосновными носителями (их много меньше) рn=pi.
Полупроводники n-типа в которых основными носителями являются электроны называют электронными. Для них справедливо соотношение:
Полупроводники p-типа. Их получают путем введения в собственный 4-х валентный атомов 3-х валентные примеси. Каждый атом примеси отбирает (присваивает) электрон близлежащего атома собственного полупроводника, в результате чего в полупроводнике образуется свободная дырка, и неподвижный отрицательно заряженный ион атома акцепторной примеси. Примесь создающая свободные дырки называется акцепторной.
Плоская модель кристаллической решетки полупроводника с акцепторной примесью (рис.).
Дырки являются основными свободными носителями заряда, их концентрация в основном равна концентрации ионов акцепторной примеси
, где: pp- концентрация дырок в полупроводнике р-типа
NA- концентрация атом акцепторной примеси,
pi-концентрация дырок в собственном полупроводнике.
Электроны являются неосновными носителями заряда,
их концентрация np мала они возникают в результате термогенерации собственного полупроводника, т.е. np=ni.
Полупроводники n-типа в которых основными носителями являются электроны называют электронными.
Для них справедливо соотношение:
.
По виду проводимости
Электронные полупроводники (n-типа)
Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырехвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.
Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:
Дырочные полупроводники (р-типа)
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырехвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвертым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.
Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:
Беспримесные полупроводники
Рассмотрим полупроводник кремний, имеющий кристаллическую структуру типа алмаза, в которой каждый атом соединен четырьмя валентными связями с ближайшими соседями. При температуре Т=0 К все связи заполнены электронами, что соответствует полностью заполненной валентной зоне и пустой зоне проводимости, отделенной от валентной зоны по энергии на 1,1 эВ. При увеличении температуры до примерно 200-300 К некоторые электроны из валентной зоны смогут перейти в зону проводимости; это соответствует "уходу" электрона из ковалентной связи 1 (см. рис. 4.13) и превращению его в "свободно перемещающийся" по кристаллу электрон.
Рис. 4.13.
Образование и движение электронов и дырок в полупроводниках
На месте опустевшей ковалентной связи образуется дырка - "разорвавшаяся" ковалентная связь, которую покинул электрон. Электрон из соседней связи может "перескочить" в "дырку", тогда дырка как бы переместится на новое место 2 (см. рис. 4.13). Поскольку электроны и дырки образуются парами, то, очевидно, что число дырок в рассмотренном случае равно числу электронов.
Один из свободных электронов может занять одну из дырок; в результате они оба исчезнут, такой процесс называется рекомбинацией электрона и дырки (см. рис. 4.13 (3)). Вероятность рекомбинации пропорциональна произведению концентраций электронов и дырок. Вероятность зарождения пары электрон - дырка зависит от температуры полупроводника (а также от частоты и интенсивности излучения, падающего на полупроводник). В состоянии равновесия устанавливается равенство чисел скорости зарождения и рекомбинации электронов и дырок и связанные с ними концентрации последних, зависящие от температуры полупроводника, а также от частоты и интенсивности падающих на полупроводник излучений.
Можно получить зависимость проводимости полупроводника от температуры. Вероятность образования пары электрон - дырка с минимальной энергией (очевидно, такая пара получается если электрон проводимости обладает наименьшей энергией, а дырка - наибольшей (см. рис. 4.14)) будет максимальной согласно (4.23). Именно такие пары в основном образуются при температуре порядка
и дают основной вклад в концентрацию
свободных носителей заряда.
Рис. 4.14.
Энергетические уровни в беспримесном полупроводнике
Тогда можно приближенно записать, что:
(4.24)
Поскольку проводимость пропорциональна концентрации свободных носителей заряда, аналогичную формулу можно записать и для проводимости полупроводника:
(4.25)Этот закон подтверждается экспериментально (см. рис. 4.15). Тангенс наклона прямой линии на этом рисунке связан с шириной запрещенной зоны беспримесного полупроводника.
Рис. 4.15.
Зависимость логарифма проводимости беспримесного полупроводника от температуры
Подвижность носителя электрического тока. Итак, ток в полупроводнике формируется свободными электронами и дырками, концентрации которых обозначим как
и
. Тогда плотность тока в полупроводнике, помещенном в поле
, может быть записана как:
(4.26)Здесь через
и
обозначены дрейфовые скорости электронов и дырок. Сопоставляя закон Ома в дифференциальной форме
с формулами (4.26) и (4.19), получаем, что
и
пропорциональны
. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Удобно ввести новую величину -
подвижность носителя электрического тока
с помощью соотношения:
(4.27)Из этого соотношения видно, что подвижность численно равна дрейфовой скорости движения носителя в поле
единичной величины.
Понятие подвижности носителей - очень удобное в физике полупроводников понятие. Запись многих сложных соотношений теории полупроводников с помощью понятия подвижность сильно упрощаются (см. к примеру, раздел, посвященный эффекту Холла). В частности соотношение (4.26) можно переписать в виде:
(4.28)
Обычно подвижность электронов значительно выше, чем подвижность дырок, поскольку перемещение дырки - более сложный процесс, связанный с перескоками многих электронов.
Примесная проводимость полупроводников
Некоторые примеси даже при малых их концентрациях очень сильно изменяют проводимость полупроводника. Такие примеси приводят к появлению избыточного количества или свободных электронов, или дырок. Их называют соответственно донорными примесями (отдающими электроны) или акцепторными примесями (забирающими электроны).
Получившийся после добавления донорных примесей полупроводник называют
донорным полупроводником. Его также называют электронным (так как в нем - избыток свободных электронов) или же полупроводником
-типа: от слова
- отрицательный, поскольку в нем - избыток отрицательных свободных носителей заряда.
Получившийся после добавления акцепторных примесей полупроводник называют
акцепторным полупроводником. Его также называют дырочным (так как в нем - избыток свободных дырок) или же полупроводником
-типа: от слова
- положительный, поскольку в нем - избыток положительных свободных носителей заряда.
Донорные полупроводники - получаются при добавлении в полупроводник элементов, от которых легко "отрывается" электрон. Например, если к четырехвалентному кремнию (или германию) добавить пятивалентный мышьяк (или фосфор), то последний использует свои 4 валентных электрона для создания 4 валентных связей в кристаллической решетке, а пятый электрон окажется "лишним", такой электрон легко отрывается от атома и начинает относительно свободно перемещаться по кристаллу. В таком случае в кристалле образуется избыток свободных электронов. Не следует забывать и об образовании пар электрон - дырка, как это рассматривалось в случае беспримесного полупроводника, однако для этого требуется значительно большая энергия, и поэтому вероятность такого процесса при
продолжение следует...
Продолжение:
Часть 1 Полупроводники, Электропроводность полупроводников, виды и применение
Часть 2 - Полупроводники, Электропроводность полупроводников, виды и применение
Часть 3 - Полупроводники, Электропроводность полупроводников, виды и применение
См.также
- Полупроводниковые материалы
- полупроводниковые устройства
- p-n-переход
- Электрические переходы
- Полупроводник p-типа
- Полупроводник n-типа
- Полупроводниковая пластина
- Подложка
- Сверхрешетка
- Гетероструктура
- Технологический процесс в электронной промышленности
- Полупроводниковые приборы
- Интегральная схема
Статью про электропроводность полупроводников я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики,
ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты.
Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое электропроводность полупроводников, полупроводник, проводимость полупроводников, энергетические уровни, энергетические зоны, собственные полупроводники
и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания,
то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Комментарии
Оставить комментарий
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Термины: Электроника, Микроэлектроника , Элементная база