ПРОВIДНIСТЬ НАПIВПРОВIДНИКIВ

Характерною особливістю напiвпровiдникiв є сильна зміна їхнього питомого опору під дією електричного поля, опромінення світлом або іонізованими частинками, а також при внесенні в напівпровідник домішки або внаслідок його нагрівання. При нагріванні питомий опір провідників збільшується, а напiвпровiдникiв i діелектриків - зменшується. Це свідчить про різний характер провідності названих матеріалів.

Щоб з'ясувати характер провідності напiвпровiдникiв, розглянемо деякий об’єм ідеальних (з суворо впорядкованим розташуванням атомів у вузлах) кристалічних ґраток германію - елемента IV групи періодичної системи елементів Менделєєва. На рис. 1.1, а об’ємні кристалічні гратки германію, елементарною геометричною фігурою

Рис. 1.1

яких є тетраедр, зображені у вигляді площинних ґраток. У процесі формування кристала атоми германію розташовуються у вузлах кристалічних ґраток i зв’язані з іншими атомами за допомогою чотирьох валентних електронів. Подвійні лінії між вузлами ґраток умовно зображують ковалентний зв'язок між кожною парою електронів, що належать двом різним атомам.

Сукупність енергетичних рівнів валентних електронів ідеального кристала зображує на енергетичній діаграмі валентну зону (рис. 1.1, б). При нульовій абсолютній температурі i при відсутності домішків у кристалі всі валентні електрони беруть участь в міжатомних зв'язках, інакше кажучи, заповнюють всі енергетичні рівні у валентній зоні, а зона провідності вільна.

Валентну зону з енергією електрона на її верхній межі Еv - i зону провідності з енергією електрона на її нижній межі Ес розділяє заборонена зона шириною ∆Е = Ес – Еv. Для германію i кремнію ширина забороненої зони дорівнює вiдповiдно 0,72 еВ i 1,12 еВ. Тому, щоб перевести електрон в зону провідності, необхідне додаткове джерело енергії, яка дорівнює (або перевищує) енергії забороненої зони. Таким джерелом може бути теплота навколишнього середовища.

При температурі, вищій за абсолютний нуль, частина електронів розриває ковалентні зв'язки i переходить у зону провідності, звільнюючи енергетичні рівні у валентній зоні. Вакантний енергетичний рівень у валентній зоні називають діркою провідності, яка в електричному i магнітному полях поводить себе як частинка з позитивним зарядом, що дорівнює заряду електрона. Цей процес утворення пар електрон-дiрка називається генерацією пар носіїв заряду.

Під дією теплової енергії електрони в зоні провідності, як i дірки у валентній зоні, перебувають у хаотичному тепловому русі. При цьому можливий процес захоплення електронів зони провідності дірками валентної зони. Такий процес зникнення пар електрон-дiрка називається

Рис. 1.2

рекомбінацією. Число актів рекомбінації пропорційне концентрації носіїв заряду.

Якщо до кристала прикласти зовнішнє електричне поле, то рух електронів i дірок набуває певної напрямленості. Таким чином, при температурі, вищій за абсолютний нуль, кристал набуває властивості проводити електричний струм. Провідність кристала тим більша, чим інтенсивніший процес генерації пар електрон-дiрка, i визначається рухом обох видів носіїв заряду - електронів i дірок. Густина струму при цьому

де j_n i j_р - густина електронного i діркового струмів відповідно.

Така провідність називається власною провідністю, а 6ездомiшковi напiвпровiдники - напівпровідниками з власною провідністю або напівпровідниками типу i. Власна провідність звичайно невелика. Причому як електронна, так i діркова провідності обумовлені рухом у напівпровіднику лише електронів. Однак у першому випадку рухаються електрони, енергія яких відповідає енергетичним рівням зони провідності, в напрямі, протилежному напряму електричного поля. В другому випадку переміщуються електрони валентної вони, заповнюючи вакантні енергетичні рівні (дірки), в напрямі, протилежному переміщенню дірок.

Концентрація електронів (i дірок) у власному напівпровіднику при кімнатній температурі дорівнює: для германію 2·10¹³ см^-3 i для кремнію 1,4·10¹⁰ см^-3 при густині атомів кристалічних граток обох елементів 5·10²² см^-3.

Кристал германію, в який внесено домішки елементів III або V групи таблиці Менделєєва, називається домішковим напівпровідником. Домішкові напiвпровiдники мають значно більшу провідність порівняно з напівпровідниками з власною провідністю.

При внесенні в попередньо очищений германій домішки п'ятивалентного елемента (наприклад, арсену) атоми домішки заміщують у

Рис. 1.3

вузлах кристалічних граток атоми германію. При цьому чотири валентних електрони атома арсену, об’єднавшись з чотирма електронами сусідніх атомів германію, налагоджують тетраедричну систему ковалентних зв’язків (рис. 1.2, а), п'ятий електрон виявляється надлишковим. Енергетичний рівень Ед домішки лежить у забороненій зоні поблизу дна зони провідності (рис. 1.2. б). Тому вже при кімнатній температурі надлишкові електрони набувають енергії, що дорівнює дуже невеликій енергії їх зв'язку з атомами домішки (ΔЕд = Ее - Ед) i переходять у зону провідності. Таким чином, у вузлах кристалічних граток германію, де знаходяться атоми домішки, створюються позитивно заряджені іони (на рис. 1.2, б зображені три таких позитивних іони у вигляді прямокутників), а в об’ємі кристала переміщуються надлишкові електрони з енергією зони провідності. Якщо електрони, що звільнилися, знаходяться поблизу своїх іонів, то мікрооб’єм залишається електронейтральним. Якщо електрони залишають мікрооб’єм, то в ньому створюється позитивний об’ємний заряд.

Оскільки ΔEд<< ΔЕ, то кількість електронів, що переходять під дією теплової або іншого виду енергії в зону провідності з домішкового рівня, значно перевищує кількість електронів, що переходять у зону провідності з валентної зони i брали участь у генерації пар електрон-дiрка. Отже, число електронів у кристалі при внесенні п’ятивалентної домішки перевищує число дірок. Такий напівпровідник має, головним чином, електронну провідність, або провідність n-типу (n-напівпровідник), а домішка, що віддає електрони, називається донорною. Основними носіями заряду в напівпровіднику n-типу є електрони, а неосновними – дірки.

При внесенні в кристал германію домішки елементів IIIгрупи (наприклад, індію) атоми її заміщають у вузлах кристалічних граток атоми германію. Однак у цьому випадку при комплектуванні ковалентних зв'язків одного електрона не вистачає, оскільки атоми домішки мають лише три валентних електрони (рис. 1.3, а).У зв'язку з тим, що енергетичний рівень домішки (індію) Еа (рис. 1.3, 6) лежить у забороненій зоні поблизу валентної зони, то досить невеликої енергії ΔЕа = Еа – Еv << ΔЕ (наприклад, за рахунок тепла навколишнього середовища), щоб електрони з верхніх рівнів валентної зони перемістились на рівень домішки, заповнивши відсутні зв'язки. В результаті у валентній зоні виникають надлишкові вакантні енергетичні рівні (дірки), а атоми домішки (індію) перетворюються в негативні іони (на рис. 1.3, б показані три негативних іони домішки у вигляді прямокутників). Отже, число дірок у напівпровіднику при внесенні тривалентної домішки перевищує число електронів. Такий напівпровідник має діркову провідність або провідність p-типу (p-напівпровідник). Домішка, введення якої зумовлює створення дірок у валентній зоні, називається акцепторною. В напівпровіднику p-типу основними носіями є дірки, а неосновними – електрони.

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Лекція 14 Поняття про дисперсійний аналіз. Однофакторний дисперсійний аналіз	\|	ЕЛЕКТРОННО-ДІРКОВИЙ ПЕРЕХІД

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.012 сек.