Механізм провідності напівпровідників

Таблиця 4.1 Питомий опір електротехнічних матеріалів різних класів за 20 °С і постійної напруги

Загальні відомості

Тема: Загальні відомості і класифікації напівпровідників

Лекція № 18

Мета:Вивчити призначення і класифікацію напівпровідників

Методи:словесний

План:

1 Загальні відомості

2 Механізм провідності напівпровідників

3 Напівпровідники п-типу

4 Напівпровідники р-типу

Матеріально-технічне забезпечення та дидактичні засоби, ТЗН:

Схеми

Велика група речовин за електричною провідністю займає проміжне місце між признано добрими діелектриками як, наприклад, янтар (бурштин), кварц чи фарфор (порцеляна), та металевими провідниками (табл. 4.1). Цю групу речовин назвали напівпровідниками.

Клас матеріалів	ρ, Ом·м	Число порядків за значенням ρ	Знак (у широкому інтервалі температур	Тип електропровідності
Провідники			додатний	електронна
Напівпровідники			від'ємний	електронна
Діелектрики			від'ємний	іонна, електронна

Проходження електричного струму через напівпровідники, як і метали, не спричинює в них хімічних змін. Це значить, що вільними носіями зарядів в обох випадках є електрони, а не іони. Однак суттєва кількісна відмінність між питомими провідностями вказує на існування глибоких якісних відмінностей в умовах проходження струму через метали і напівпровідники.

Різниця в провідності напівпровідників і металів за нормальних температур зумовлена величезною різницею в концентрації електронів провідності. В 1 м³ металів знаходиться 10²⁸ - 10²⁹ вільних електронів, тобто на кожний атом металу припадає по одному вільному електрону, тоді як у напівпровідниках концентрація вільних електронів у сотні тисяч і навіть мільйони разів нижча.

За підвищення температури швидкість впорядкованого переміщення електронів провідності під дією поля як у металах, так і напівпровідниках зменшується. Тому в металах електропровідність із зростанням температури знижується. У напівпровідниках, незважаючи на подібне зниження швидкості впорядкованого переміщення електронів, провідність різко зростає. Це однозначно свідчить про те, що з підвищенням температури в напівпровідниках має місце над швидке зростання числа вільних електронів, тоді як у металах кількість електронів провідності практично не залежить від температури.

За температур, близьких до абсолютного нуля, питомий опір провідників різко знижується, а провідність зростає і може переходити в надпровідність. У напівпровідниках спостерігається протилежна картина. Внаслідок різкого зменшення числа електронів провідності за наднизьких температур питомий опір напівпровідників близький до опору діелектриків. За високих температур кількість вільних електронів зростає настільки, що провідність напівпровідників співмірна з провідністю металів.

Напівпровідники з власною провідністю, або напівпровідники типу і.Розглянемо власну провідність ідеально чистого напівпровідника з ідеально впорядкованим розміщенням атомів у вузлах кристалічної ґратки на прикладі германію або кремнію - елементів IV групи періодичної системи елементів. Атоми у вузлах ґратки зв'язані між собою чотирма валентними електронами (рис. 4.1,а). Такий зв'язок називають ковалентним,або парноелектронним.За температури, близької до абсолютного нуля, усі валентні електрони беруть участь у створенні міжатомних зв'язків і заповнюють всі енергетичні рівні валентної зони, а в зоні провідності електрони відсутні (рис. 4.1, б). Зона провідності відмежована від валентної забороненою зоною, де W_с - нижня межа зони провідності; - верхня межа валентної зони.

Ширина забороненої зони для германію і кремнію дорівнює відповідно 0,72 і 1,12 е·В. Для переходу електрона з валентної зони в зону провідності необхідна додаткова енергія, яка дорівнює енергії забороненої зони або більша від неї. Цю енергію електрон може отримати за нагрівання кристала напівпровідника, опромінення його світлом або з інших додаткових джерел енергії.

Рис. 4.1. Кристалічні ґратки чистого германію (а), енергетична діаграма напівпровідника при і відсутність вільних зарядів (б), поява носіїв вільних зарядів (електронів і дірок) при (в) Чим температура вища за абсолютний нуль, тим більша частина валентних електронів переходить у зону провідності, звільняючи енергетичні рівні у валентній зоні. Вакантний енергетичний рівень у валентній зоні названо діркою провідності, яка поводить себе як додатний заряд, що дорівнює заряду електрона. Кількість дірок у валентній зоні дорівнює кількості вільних електронів у зоні провідності (див. рис. 4.1, в). Утворення пар електрон-дірка називають генерацією парносіїв зарядів. Електрони в зоні провідності і дірки у валентній зоні перебувають у хаотичному тепловому русі, і дірки можуть захоплювати електрони. Це призводить до зникнення пар електрон-дірка, тобто відбувається їх рекомбінація (див. рис. 4.1, в). За температури, вищої від абсолютного нуля, коли в кристалі існує певна концентрація пар електрон-дірка, під дією зовнішнього електричного поля відбувається напрямлене переміщення електронів у зоні провідності проти напрямку поля і переміщення дірок у валентній зоні у напрямку поля. Таким чином, провідність кристала визначається переміщенням як електронів, так і дірок, тому густина струму

де J_e і J_d - відповідно густина електронного і діркового струмів. У напівпровідниках з власною електричною провідністю кількість електронів N_e і N_d дірок однакова. Оскільки рухливість електронів дещо більша, ніж рухливість дірок, то електронний струм І_е трохи більший, ніж I_d. Рухливість визначається шляхом, який проходить електрон або дірка за одну секунду за напруженості Е= 1В/см. Оскільки рухливість є відношення швидкості переміщення електрона V_e, чи дірки V_d, до напруженості електричного поля в напівпровіднику, то рухливість електрона , а рухливість дірки . Тоді електронний і дірковий струми визначаються за формулами:

I_e = N_eeV_e=N_eeμ_eE;

I_d = N_deV_d = N_deμ_dE,

де е - заряд електрона чи дірки, - напруженість електричного поля, N_e і N_d відповідно число електронів і дірок. Сумарний струм у напівпровіднику:

I = I_e + I_d, абоI = N_eeμ_eE+ N_deμ_dE. (4.1)

При власній електропровідності напівпровідника число електронів і дірок однакове, тобто

Тоді вираз (4.1) набуває такого вигляду:

I = N·e(μ_e+μ_d)E. ( 4 . 2)

Необхідно підкреслити, що як електронна,так і діркова провідність зумовлені переміщенням лише електронів відповідно у зонах провідності і валентній. Рух електронів у валентній зоні створює враження, що в напрямку електричного поля переміщуються позитивно заряджені іони, чого насправді немає. Сказане наглядно можна проілюструвати на ланцюжку атомів напівпровідника, в одному місці якого утворився позитивно заряджений іон (рис. 4.2) внаслідок переходу електрона з валентної в зону провідності. Під дією сил поля електрон послідовно переноситься від атома 2 до іона 1. Атом 2 стає при цьому позитивно зарядженим іоном і до нього переходить електрон від атома 3, який перетворюється в позитивно заряджений іон і т. д.

Рис. 4.2. Модель "діркової" провідності в напівпровідниках: світлі кружечки - нейтральні атоми, темний кружечок - додатний іон. Стрілками вказано напрямок послідовних переходів електронів від нейтральних атомів до іонів. Місце додатнього заряду переміщується у зворотному напрямі - по полю

Таким чином, у валентній зоні напівпровідника відбувається переміщення електронів від нейтральних атомів проти зовнішнього поля, рівнозначне переміщенню дірок у напрямку поля.

За кімнатної температури концентрація електронів і дірок становить: для германію -2 ·10¹³ см^-3 для кремнію - 1,4·10¹⁰ см^-3. З підвищенням температури ці концентрації різко зростають (при 800°С - у сотні мільйонів разів). Тому провідність напівпровідників з підвищенням температури різко зростає, незважаючи на протидіюче цьому зростанню зниження швидкості впорядкованого переміщення вільних електронів.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Сплави високого опору	\|	Напівпровідники п-типу

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.005 сек.