• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

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.

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:

1. II. МЕХАНІЗМИ ФІЗІОЛОГІЧНОЇ ДІЇ НА ОРГАНІЗМ ЛЮДИНИ.
2. V Процес інтеріоризації забезпечують механізми ідентифікації, відчуження та порівняння.
3. Адвокатура — неодмінний складовий елемент механізму забезпечення прав людини.
4. Аденогіпофіз, його гормони, механізм впливу
5. Аденогіпофіз, його гормони, механізм впливу, прояви гіпер- та гіпофункцій.
6. Адміністративно-командна система, її ознаки та механізм функціонування.
7. Адміністративно-правові методи забезпечення економічного механізму управління охороною довкілля
8. Аеробний механізм ресинтезу АТФ
9. Акти застосування норм права в механізмі правового регулювання.
10. Акціонерні товариства як механізм трансформації
11. Альдостерон та механізми ренін-ангіотензину
12. Аміноглікозиди (стрептоміцину сульфат, гентаміцину сульфат). Механізм і спектр протимікробної дії, застосування, побічні ефекти.

Переглядів: 4522