Меню

Основными носителями тока в химически чистых полупроводниках являются

О том что такое полупроводник и как он работает

Полупроводниками (seicomnductor) называют вещества, которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между металлами (проводниками) и диэлектриками (изоляторами).

К классу полупроводников принадлежат многие из известных веществ. Ими могут быть как химически чистые вещества, так и различные соединения и даже сплавы некоторых металлов. По структуре эти вещества могут быть кристаллическими или аморфными, однако, как правило, для изготовления полупроводниковых приборов используют вещества с кристаллической структурой. Исходным материалом наиболее часто служит германий Ge или кремний Si, а также арсенид галлия GaAs — полупроводник, являющийся химическим соединением.

При качественном анализе механизма проводимости полупроводников обычно используется плоскостной моделью кристаллической решетки.

О том что такое полупроводник и как он работает Полупроводник, Кремний, Германий, Электроника, Длиннопост

На (рис.39-а) показана модель решетки химически чистого полупроводника — германия, каждый атом которого имеет на внешней оболочке четыре валентных электрона. Например для атома I это электроны 1, 2, 3, 4. При образовании кристалла каждый валентный электрон в веществе начинает двигаться по орбите, окружающей не только свой атом, но и соседний. Таким образом, каждая соседняя пара атомов имеет общую пару электронов, движущихся по двум общим орбитам. Такая связь атомов называется ковалентной. В целом судя по представленной модели, каждый атом связан с соседними атомами восемью орбитами, по которым движутся четыре пары электронов. На (рис.39-а) эти связи изображены тонкими прямыми линиями. На примере для атома I и II общие электроны 1 и 5, а для атомов I и III — это электроны 2 и 9 и т.д.

В химически чистых полупроводниках при температуре абсолютного нуля свободных носителей зарядов нет. С повышением температуры валентные электроны приобретают дополнительную тепловую энергию и некоторые из них (электроны с наибольшими скоростями хаотического теплового движения) могут, разорвать связь с атомами и стать свободными носителями зарядов. Атом, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом. Эти ионы не являются носителями зарядов, так как они жестко связаны межатомными силами.

При отрыве электрона от атома образуется так называемая дырка — разорванная валентная связь в атоме (рис.39-б). Дырке приписывается положительный заряд, равный по значению заряду электрона. Эта вакантная валентная связь может быть вновь заполнена электроном, оторванным от соседнего атома под действием электрического поля. При заполнении дырки электроном данный атом становится электрически нейтральным, а у соседнего атома, потерявший электрон, появляется дырка, которая, в свою очередь, также может быть заполнена электроном от следующего атома и т.д. Таким образом, процесс перехода электрона от нейтрального атома к соседнему атому с дыркой под влиянием положительной разности потенциалов можно представить как процесс перехода дырки от положительного иона к нейтральному атому, т.е. как будто условно-положительный заряд — дырка — движется в сторону, противоположную движению электрона.

Электропроводность, при которой электрон последовательно занимает дырку у рядом расположенного атома, т.е. в каждый момент времени в веществе преобладает «свободные» дырки, которые переходят от одного соседнего атома к другому, называется дырочной или электропроводностью p-типа (positive). Электропроводность, обусловленная движением свободных (избыточных) электронов между узлами кристаллической решетки, называется электронной или электропроводностью n-типа (negative).

Возникновение в полупроводнике свободных электронов и дырок при повышении температуры называется термогенерацией носителей зарядов, а процесс возвращения свободных электронов на место разорванной валентной связи — рекомбинацией носителей зарядов. При определенных условиях между этими двумя процессами устанавливается динамическое равновесие, т.е. концентрация дырок и электронов в заданном объеме становится постоянной, а их количество — одинаковым. Дырки и электроны в полупроводнике без примесей обеспечивают собственную электропроводность, которая складывается из электропроводности p-типа и n-типа. Последняя обычно преобладает, так как электроны более подвижны, чем дырки, оттого, что дырка может перемещаться только между соседними атомами. Концентрация носителей зарядов в чистых полупроводниках мала. Например, для германия при обычной температуре число свободных носителей зарядов составляет примерно 10-8 степени % от общего числа атомов (в металлах число свободных электронов примерно равно числу атомов). Поэтому удельная электропроводность полупроводников значительно меньше, чем у металлов. Появление дополнительных носителей зарядов в полупроводнике с повышением температуры и разрыв валентных связей приводят к уменьшению его сопротивления, а в металле с ростом температуры сопротивление обычно увеличивается. Уменьшение сопротивления полупроводника может быть вызвано также другими внешними факторами, например воздействие излучений. Но особенно сильно влияет на свойство полупроводников наличие примесей других веществ.

Как уже упоминалось выше, в полупроводниковых приборах практически не используются химически чистые полупроводники, а применяются главным образом полупроводники с примесями, добавление которых приводит к существенному увеличению числа носителей зарядов. Электропроводность таких полупроводников называется примесной.

Рассмотрим механизм образование зарядов, воспользовавшись снова плоскостной моделью кристаллической решетки. Если в четырехвалентный германий добавить пятивалентное вещество, например сурьму, то пятивалентный атом сурьмы четырьмя валентными электронами образует ковалентную связь с четырьмя соседними атомами германия, а пятый валентный электрон атома сурьмы остается «лишним» и может быть достаточно легко отделен от атома. Такие полупроводники обладают электропроводностью n-типа. Примеси, которые отдают исходному полупроводнику свои электроны, называют донорными.

Добавим в четырехвалентный германий трех валентный индий. В этом случае при образовании решетки трехвалентный атом индия для установления ковалентной связи с четырьмя соседними атомами германия оторвет один электрон от близлежащего атома германия. Атом индия приобретают отрицательный заряд, а на месте оторванного электрона возникает дырка. Такие примеси, добавление которых к полупроводнику приводит к появлению дырок, называют акцепторными (забирающими электроны), а полученный полупроводник с дырочной электропроводностью — полупроводником p-типа.

В примесных полупроводниках концентрация носителей зарядов всегда превышает (в 100 раз и более) концентрация носителей зарядов в исходного вещества. Поэтому удельное электрическое сопротивление примесного полупроводника всегда значительно меньше, чем исходного химически чистого. Однако даже в примесном полупроводнике число носителей зарядов намного меньше числа атомов; они составляют не более 10-4 степени % от общего числа атомов.

Носители зарядов, преобладающие в данном полупроводнике, называют основными; носители зарядов, концентрация которых в данном полупроводнике меньше концентрация основных носителей, называют неосновными. Для полупроводника n-типа основные носители заряда — электроны, а неосновные дырки; для полупроводника p-типа основные носители — дырки, неосновные — электроны.

Если полупроводники подключить к источнику тока, носители заряда, имеющиеся в нем, начинают перемещаться направленно: дырки — к отрицательному полюсу, электроны — к положительному, т.е. возникают электронный и дырочный дрейфовые токи, образующий общий ток через полупроводник (рис.40).

О том что такое полупроводник и как он работает Полупроводник, Кремний, Германий, Электроника, Длиннопост

Дырки перемещаются только в полупроводнике, причем только между соседними атомами. У положительного полюса дырка возникает за счет отрыва электрона от атома и ухода его во внешнюю цепь. Во внешней цепи ток образуется только за счет электронов проводимости. У отрицательного полюса дырка рекомбинирует с электроном, поступившим из внешней цепи.

При подаче на полупроводник p-типа напряжения подавляющая часть тока образована дырками — основными носителями. В полупроводнике с электронной проводимостью ток образуется главным образом электронами. При смене полярности напряжения изменяется также направление тока.

Направленное движение носителей зарядов может вызываться не только электрическим полем, но и разной их концентрацией в объеме вещества. Процесс направленного движения носителей зарядов, вызванный их неравномерной концентрацией, носит название диффузии носителей зарядов, а соответствующий ток называют диффузионным в отличие от дрейфового тока.

Источник

Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках.

23 Май 2013г | Раздел: Радио для дома

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. На сайте есть раздел посвященный начинающим радиолюбителям, но пока что для начинающих, делающих первые шаги в мир электроники, я толком ничего и не написал. Восполняю этот пробел, и с этой статьи мы начинаем знакомиться с устройством и работой радиокомпонентов (радиодеталей).

Начнем с полупроводниковых приборов. Но чтобы понять, как работает диод, тиристор или транзистор, надо представлять, что такое полупроводник. Поэтому мы, сначала изучим структуру и свойства полупроводников на молекулярном уровне, а затем уже будем разбираться с работой и устройством полупроводниковых радиокомпонентов.

Полупроводниковые радиокомпоненты

Общие понятия.

Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.

Читайте также:  Зачем ток уходит в землю

Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, окись меди), но для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только Кремний (Si) и Германий (Ge).

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Свойства полупроводников.

Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры.
При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники не проводят электрический ток, а с повышением температуры, их сопротивляемость току уменьшается.

Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.

Строение атомов полупроводников.

Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыре валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.
На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.

Межатомная связь полупроводников

Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих, и по одному, заимствованных от четырех соседних атомов. Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.

Электропроводность полупроводника.

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

Упрощенная межатомная связь в полупроводнике

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Явление возникновения тока в полупроводнике

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.
Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).

Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

Электронно-дырочная проводимость.

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Электронная проводимость.

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов. Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи.

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Дырочная проводимость.

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

Читайте также:  Jvc lt 40m445 уменьшить ток подсветки

На этом давайте остановимся, а в следующей части рассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.
Удачи!

Источник

Полупроводники

date image2014-02-02
views image6487

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

1. Полупроводники – это кристаллические вещества, валентная зона которых полностью заполнена электронами, а ширина запрещенной зоны по сравнению с диэлектриком не велика и составляет около Eg »1 эВ. По величине электропроводности при Т >0 К полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками.

2. Собственныеполупроводники – это химически чистые полупроводники. К ним относятся некоторые химически чистые элементы (кремний Si, германий Ge, селен Se, теллур Te) и многие химические соединения (арсенид галлия GaAs, арсенид индия InAs, антимонид индия InSb, карбид кремния SiC и др.).

При Т = 0 К валентная зона собственного полупроводника укомплектована полностью (рис.109 слева), зона проводимости, расположенная над валентной зоной на расстоянии Eg, является пустой. Поэтому при Т = 0 К собственный полупроводник, как и диэлектрик, имеет нулевую проводимость.

При нагревании возникает термическое возбуждение электронов валентной зоны. Часть из них приобретает энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода в зону проводимости (рис.109 справа). В результате в зоне проводимости появляются свободные электроны, а в валентной зоне – свободные уровни – дырки, на которые могут переходить электроны этой зоны. Если к такому кристаллу приложить электрическое напряжение, в нем возникнет электрический ток, который складывается из электронного тока в зоне проводимости и дырочного тока в валентной зоне.

Механизм дырочной проводимости состоит в том, что при наличии дырки (вакансии) какой-либо из близко расположенных электронов связи может перейти на место дырки. Данная дырка исчезает, но появляется в другом месте. Если в кристалле существует электрическое поле от внешних источников, то такие дырки-вакансии движутся как положительные заряды в направлении поля. Таким образом, в полупроводниках возможны два различных процесса электропроводности. Электронный, осуществляемый движением электронов в зоне проводимости, и дырочный, обусловленный перемещением электронов в валентной зоне.

В теории твердого тела дырки толкуются как квазичастицы с положительным зарядом +е и определенной эффективной массой, а дырочная проводимость – как направленный дрейф этих частиц – дырок. В состоянии теплового равновесия электроны стремятся занять наинизшие энергетические уровни, так что дырки оказываются на потолке валентной зоны, где их скорость равна нулю. Дырка имеет положительную эффективную массу, численно равную отрицательной эффективной массе электрона у потолка валентной зоны. Наряду с переходами электронов из связанного (валентного) состояния в свободное существуют обратные переходы, при которых электроны проводимости улавливаются на одно из вакантных мест электронов связи. Этот процесс называется рекомбинацией электрона и дырки. В состоянии равновесия устанавливается такая концентрация электронов и дырок, при которой число прямых и обратных переходов одинаково. Уровень Ферми в чистом полупроводнике находится примерно посредине запрещенной зоны.

3. Примесные полупроводники. Проводники любой чистоты всегда содержат примесные атомы, создающие свои собственные так называемые примесные уровни. Эти уровни могут располагаться как в разрешенных, так и в запрещенных зонах на разных расстояниях от потолка валентной зоны и от дна зоны проводимости. Часто примесь вводится специально для придания полупроводнику необходимых свойств. Различают два типа примесной проводимости: донорную и акцепторную. Рассмотрим их.

4. Донорная примесь. Пусть в кристалле четырехвалентного германия Ge введены атомы пятивалентного мышьяка As. В результате часть атомов германия замещаются атомами мышьяка. В кристалле чистого германия каждый атом Ge окружен четырьмя ближайшими соседями, с каждым из соседей атом Ge коллективизирует по одному из четырех валентных электронов. Если вместо атома германия Ge оказывается атом пятивалентного мышьяка As, то он так же обобществляет с четырьмя соседями четыре валентных электрона.

Пятому электрону валентной оболочки мышьяка уже не остается места на этой оболочке и он вынужден перейти на более удаленный уровень (рис.110). При этом между ним и атомом мышьяка находятся легко поляризующиеся электронные облака валентных связей. Обеспечиваемая этими облаками диэлектрическая проницаемость германия e = 16. Поэтому притяжение электрона к иону мышьяка ослабляется в e раз, и его расстояние от атома As еще больше увеличивается.

На большом удалении поле иона мышьяка практически совпадает с полем точечного заряда +е. Уравнение Шредингера для независимого электрона мышьяка выглядит так же, как для электрона в атоме водорода лишь с тем отличием, что вместо реальной массы электрона входят его эффективная масса в зоне проводимости. Для энергии связи электрона с ионом As + получается выражение: . (15.1)

Эффективная масса тэф электрона в германии тэф = 0,22те. При e =16 получаем Е = 0,01 эВ. Если электрону сообщить такую энергию, он оторвется от атома As и приобретет способность свободно перемещаться в решетке германия Ge, превратившись в электрон проводимости. На языке зонной модели это можно толковать так, что примесные уровни мышьяка расположены у самого дна зоны проводимости, отстоят от нее на расстояние Е = 0,01 эВ. При сообщении примесным электронам такой энергии они переходят в зону проводимости (рис.111). Образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в электропроводности не участвуют.

Примеси, являющиеся источником электронов проводимости, называются донорными, а их энергетические уровни– донорными уровнями. Полупроводники, содержащие донорную примесь, называют электронными или полупроводниками n–типа.

5. Акцепторная примесь. Пусть в кристалле четырехвалентного германия Ge введены атомы трехвалентного индия In (рис.112). Для образования связи с четырьмя ближайшими соседями у атома индия не хватает одного электрона. В результате в системе валентных связей появляется вакансия, которая может быть занята электроном из любой ближайшей валентной связи. При уходе электрона из связи возникает положительная дырка. Атом индия, присоединив к себе лишний электрон, превращается в отрицательно заряженный ион, образовавшаяся дырка находится в поле этого иона и притягивается к нему. При Т = 0 К дырка удерживается в окрестности атома примеси.

Энергия связи дырки с атомом примеси невелика и составляет Е » 0,01 эВ. При нагревании кристалла дырка получает эту энергию, отрывается от атома индия и становится свободной. На энергетической диаграмме (рис.113) незаполненные уровни атомов индия располагаются непосредственно у потолка валентной зоны на расстоянии Е » 0,01 эВ.

У германия ширина запрещенной зоны Еg = 0,66 эВ, так что расстояние между валентной зоной и уровнем примеси в 66 раз меньше ширины запрещенной зоны в кристалле.

Электроны, связанные с атомами индия, теряют способность перемещаться в решетке германия и в проводимости не участвуют. Носителями заряда являются лишь дырки, возникшие в валентной зоне.

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, называют акцепторными, а их энергетические уровни– акцепторными уровнями. Полупроводники, содержащие такие примеси, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p – типа.

Атомы примесей из других групп таблицы Менделеева образуют уровни, расположенные вдали от зоны проводимости и вдали от валентной зоны. Поэтому они не оказывают заметного влияния на электропроводность полупроводников, зато сильно влияют на процессы генерации и рекомбинации электронов и дырок.

6. Основные и не основные носители заряда в полупроводниках. В любом реальном полупроводнике всегда есть электроны проводимости и дырки. В чистом полупроводнике их концентрации одинаковы. В полупроводниках n–типа преобладают электроны проводимости, а в полупроводниках p–типа преобладают дырки. Преобладающие носители заряда называются основными носителями, а представленные в меньшинстве – неосновными.

7. Зависимость электропроводности полупроводников от температуры. Термисторы. При температуре абсолютного нуля электропроводность как идеально чистого (собственная проводимость), так и примесного полупроводника должна быть равна нулю. Ширина запрещенной зоны в чистых полупроводниках составляет Еg = 0,5¸1 эВ, а энергетическое расстояние до донорных и акцепторных уровней в примесных полупроводниках в десятки раз меньше и составляет Е = 0,01 эВ. Поэтому при нагревании полупроводника начиная с Т = 0 К раньше возбуждаются примесные уровни. Электропроводность примесных полупроводников увеличивается быстрее, чем у чистых.

На рис.114 сравнивается удельная электропроводность у чистого полупроводника (кривая 1) с электропроводностью примесного полупроводника n–типа (кривая 2) при разных температурах. Вначале примесная проводимость существенно преобладает над собственной и растет почти линейно с температурой. При некоторой температуре Т1 происходит полная ионизация доноров, и рост примесной проводимости прекращается. При некоторой температуре Т2 > Т1 начинается интенсивная ионизация собственно полупроводника. Независимо от типа полупроводника электропроводность быстро увеличивается и при Т > Т1 может быть представлена формулой: . (15.2)

Читайте также:  Что служит источником магнитного поля электрический заряд электрический ток или проводник

Если прологарифмировать формулу (15.2), , и откладываем на графике зависимость ln g от 1çT, то для собственных полупроводников получается прямая линия. По наклону этой прямой можно определить ширину Еg запрещенной зоны.

Рост электропроводности полупроводников с повышением температуры очень значителен. Например, при нагревании германия от 100 до 600 К его удельная электропроводность g увеличивается на 17 порядков. Такая сильная зависимость g(T) позволяет использовать полупроводники для измерения температур. Для изготовления термочувствительных резисторов (термисторов) используют обычно чистые оксиды металлов или их смеси из ZnO, MgO, Fe3O4, MnO, MgAl2O4, ZnTiO4.

Температурный коэффициент удельного сопротивления r термисторов отрицателен и составляет (рис.115). Термисторы широко применяются в схемах автоматических мостов и потенциометров, связанных с регулирующими механизмами.

8. Поглощение света полупроводниками. Фоторезисторы. Как и любые другие вещества, полупроводники способны поглощать падающий на них свет. Различают собственное и примесное поглощение. При собственном поглощении энергия света, попадающего в полупроводник, расходуется на возбуждение электронов и переход их из валентной зоны в зону проводимости. В соответствии с законом сохранения энергии такое поглощение может происходить лишь в том случае, если энергия световых квантов hn не меньше ширины запрещенной зоны Еg, hn ³ Еg. Отсюда можно найти максимальную длину волны lmax собственного поглощения. . (15.3)

Здесь с – скорость света. Для кремния например, Еg = 1,1 эВ, мкм.

В примесных полупроводниках n–типа электроны с донорных уровней могут переходить в зону проводимости, а в примесных полупроводниках p – типа из валентной зоны на акцепторные уровни. Это примесное поглощение. Граница этого поглощения сдвинута в область больших длин волн тем сильнее, чем меньше энергия соответствующего перехода. Однако, если примесные атомы уже ионизированы, то примесного поглощения уже не будет. Для осуществления примесного длинноволнового поглощения полупроводник должен иметь температуру Т ниже температуры Т1 примесного истощения (рис.114). Например в германии Ge с примесью золота Au (энергия ионизации примеси Е = 0,08 эВ) длинноволновое поглощение с мкм наблюдается лишь при температуре кипения жидкого азота Т = 77 К, а в германии с примесью сурьмы Sb (Е = 0,01 эВ) поглощение с мкм наблюдается лишь при гелиевых температурах T £ 4 K.

При собственном и примесном поглощения света возникают избыточные свободные носители заряда. Их наличие приводит к увеличению электропроводности полупроводника. Процесс освобождения электронов из валентных связей называют внутренним фотоэффектом. Добавочная проводимость, приобретаемая полупроводником при облучении светом, называется фотопроводимостью. Собственная проводимость, обусловленная тепловым движением свободных носителей заряда, называется темновой. Приборы, позволяющие регистрировать световое излучение с помощью явления фотопроводимости, называются фоторезисторами.

Фоторезистор обычно представляет собой пленку полупроводника с двумя омическими контактами, наклеенную на диэлектрик (рис.116). Чувствительный элемент должен быть достаточно толстым, чтобы в нем поглощался весь световой поток , где R – коэффициент отражения, Ф – падающий поток. В этом случае число N пар носителей при собственном поглощении, генерируемых светом в единицу времени, есть . (15.4)

Здесь h – квантовый выход внутреннего фотоэффекта, равный числу пар носителей, рождаемых в среднем каждым поглощенным фотоном. Он может быть больше 1,если при поглощении одного фотона высокой энергии рождается две или более электронно-дырочных пар, и меньше одного, если часть фотонов поглощается свободными носителями заряда.

Обычно фотосопротивления изготавливают из смесей CdTе, CdSe, Si, Ge, Cu2O, InSb и др. Они имеют избирательную чувствительность к свету определенных длин волн. Характерная их особенность – малая ширина запрещённой зоны. Например, у InSb она составляет 0,18 эВ. Постоянная времени фоторезисторов, определяющая их инерционность, лежит в пределах от 10 -3 до 10 -8 секунд. Отношение Rmax/Rmin фоторезисторов может достигать 10 6 .

Источник



Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Химически чистый полупроводник

Электрическая проводимость полупроводников, основанная на перемещении части электронов основной зоны в зону возбужденных уровней, может быть, если под действием внешних или внутренних факторов энергетический разрыв между зонами будет преодолен. К числу таких факторов относятся повышение температуры полупроводника и введение в его состав различных примесей. Проводимость химически чистых полупроводников называется собственной проводимостью, а сами полупроводники — собственными полупроводниками. [31]

В природе полупроводники существуют в виде элементов ( элементы IV, V и VI групп Периодической системы элементов Менделеева), например Si, Ge, As, Se, Те, и химических соединений, например оксиды, сульфиды, селениды, сплавы элементов различных групп. Различают собственные и примесные полупроводники. Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники , а их проводимость называется собственной проводимостью. [32]

В природе полупроводники существуют в виде элементов ( элементы IV, V и VI групп Периодической системы элементов Менделеева), например Si, Ge, As, Se, Те, и химических соединений, например оксиды, сульфиды, селениды, сплавы элементов различных трупп. Различают собственные и примесные полупроводники. Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники , а их проводимость называется собственной проводимостью. [33]

Выражение ( 2 — 1) справедливо как при ионном, так и при электронном характере электропроводности. Проводимость гигроскопических материалов не является чисто ионной; в экспериментах практически не замечается электролитическое разложение сухого вещества. С другой стороны, эти материалы, не являются химически чистыми полупроводниками , у которых носителями тока являются только электроны атомов полупроводникового вещества. Основное количество носителей тока дает влага, которую можно рассматривать как примесь к сухому веществу. Чистая вода имеет заметную электропроводность ( рк-22 — 106 ом см при 20 С); важнее, однако, сильное диссоциирующее действие, оказываемое водой на многие электролиты. Электропроводность твердого материала определяется электролитами, растворенными в воде; эти электролиты содержатся главным образом в самом материале. При этом характер зависимости электропроводности материала от содержания влаги определяется распределением влаги в нем. [34]

Ими становятся валентные электроны, разорвавшие при нагревании связи со своими атомами. Такие электроны могут свободно перемещаться в кристаллической решетке полупроводника. Если теперь к полупроводнику приложить электрическое напряжение, то в нем установится электрический ток. Проводимость химически чистых полупроводников , обусловленная упорядоченным движением в них электронов проводимости, называют собственной электронной проводимостью или п-проводимостью. [35]

На внешней оболочке атомов кремния и германия находятся 4 валентных электрона, связанных химическими ( ковалентными) связями ( стр. Кристаллические полупроводники относятся к типу твердых тел с полностью занятой электронами валентной энерге-тической зоной ( стр. Электропроводность химически чистого полупроводника называется собственной проводимостью. [36]

Влагосодержащие материалы, являясь в сухом виде диэлектриками с удельным объемным сопротивлением р 1010 — 1015 ом-см и выше, в результате увлажнения становятся полупроводниками; величина pv понижается до 10 — 2 — 10 — 3 ом-см. Удельное сопротивление изменяется, следовательно, в зависимости от влажности в чрезвычайно широком диапазоне, охватывающем 12 — 18 порядков. Неоднородность диэлектрика, наличие в нем влаги сказываются не только на величине удельной проводимости, но и на качественных особенностях электропроводности: на ее зависимости от напряженности электрического поля и температуры. Проводимость таких материалов не является чисто ионной. С другой стороны, эти материалы не являются химически чистыми полупроводниками , у которых носителями тока являются только электроны атомов полупроводникового вещества. Основное количество носителей тока дает влага. Чистая вода имеет заметную электропроводность ( ру 22 — 106 ом-см при 20 С); важнее, однако, сильное диссоциирующее действие, оказываемое водой на многие электролиты. Электропроводность твердого материала определяется электролитами, растворенными в воде; эти электролиты содержатся главным образом в самом материале. [37]

Следовательно, теперь данный атом имеет избыточный положительный заряд. Освободившееся в атоме место принято называть дыркой. Дирку может занять электрон соседнего атома, создавая одновременно новую дырку. Ее, в свою очередь, занимает электрон другого атома. В этом случае можно говорить о том, что носителями заряда как будто служит дырки; они движутся относительно электронов в противоположном направлении. Проводимость химически чистого полупроводника , обусловленную направленным замещением дырок электронами проводимости, принято называть собственной дырочной проводимостью или р-проводимостыо. [38]

Источник