Собственная проводимость проводников. Электроны проводимости и дырки

 

Полупроводники (п/п) – это вещества, у которых при Т = 0 К валентная зона полностью заполнена электронами, а ширина запрещенной зоны DW_зап около 1эВ (см. рис.9.5 а). Например: DW_зап (Si) = 1,1 эВ; DW_зап(Gе) = 0,72 эВ.

При Т >0 К часть электронов за счет энергии теплового движения kT могут за­брасываться в свободную зону (зону проводимости, см. рис. 9.5 б).

Собственная проводимость п/п возникает при переходе электронов из ва­лентной

зоны в свободную зону, которую также называют зоной проводимо­сти. Электроны в зоне проводимости легко ускоряются электрическим полем, т. к. у электронов есть возможность увеличить энергию за счет перехода на более высокие свободные уровни. Их называют электронами проводимости. При уходе электрона из валентной зоны там остается положительно заряженная ва­кансия, (свободный уровень). На это место может перескочить соседний электрон, т. е. вакансия (дырка) передвинется.

Образованная при уходе электронаиз валентной зоны вакансия эквивалентна положительной ква­зичастице, которую называют дыркой.

Процесс перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости назы­вают рождением электронно-дырочной пары. При встрече электрона проводимо­сти и дырки может произойти их соединение - рекомбинация. В результате пара исчезает.

В равновесии число актов рождения (генерации) пар равно числу актов рекомбина­ции.

Рассмотрим зависимость собственной проводимости от температуры (см. рис.9.6). Вероятность f перехода электрона на свободный уровень задается распределением Ферми: f = (exp[(W – W_F)/kT] – 1)^-1

Величина kT при Т~300К составляет около 1/40эВ, поэтому в зоне проводимости W-W_F >> kT и f = exp[-(W – W_F)/kT] » exp (- DWзап/kT)

Так как проводимость s пропорциональна числу электронов в свободной зоне, а это значение пропорционально величине f, то получим:

, (9.6)

где s₀-константа, DW_зап – ширина звпрещенной зоны, k – постоянная Больцмана, Т- температура

 

9.7. Примесная проводимость п/п.

Электронный и дырочный п/п.

 

Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы кристалла (основ­ные) заменить атомами другой валентности (примесью).

1. Если валентность примеси больше валентности основного элемента, то получа­ется полупроводник n – типа (см. рис. 9.7). Например, если атом фосфора Р (5-ти валентный) замещает основной атом кремния (4-х валентный),то 5-й электрон у Р очень слабо держится, легко отрывается и стано­вится свободным (электроном проводимости).

Атомы примеси, поставляющие электроны проводимости, называют донорами.

Донорные уровни находятся вблизи дна зоны проводимости в запрещенной зоне. Электроны с донорного уровня легко переходят в зону проводимости. Итак, донорные уровни поставляют лишь один вид носителей тока - электроны.

Полупроводник с донорной примесью обладает электронной проводимостью и называется п/п n - типа (negative – отрицательный).

2. Если валентность примеси меньше валентности основного элемента, то полу­чается полупроводник р - типа (см. рис.9.8). Например, примесь бора В - трехвалентна. Здесь недостает для комплекта связей одного электрона. Это еще не дырка. Но если из связи Si = Si сюда перейдет электрон, то появится настоящая дырка.

 

Атомы примеси, вызывающие возникновение дырок, называют акцепторными.

Акцепторные уровни находятся в запрещенной зоне вблизи верха валентной зоны.

Полупроводники с акцепторной примесью обладают дырочной проводимостью и называются п/п р – типа (positive - положительный).

С повышением температуры Т - концентрация примесных носителей быстро достигает насыщения, т. к. освобождаются все донорные уровни или заполняются акцепторные уровни. При дальнейшем повышении Т все больший вклад дает собственная прово­димость п/п.

 

9.8. р / n переход.

 

В n – полупроводнике – основные носители тока – электроны, в р – типе полупроводника основные носители – дырки (см. рис.9.9). При контакте электроны из полупроводника n – типа диффундируют к р – типу, а дырки, наоборот, из п/п р – типа движутся к п/п n – типа. При этом область р заряжается (-), а n - область (+). Этот переход будет проходить до тех пор, пока создавшееся внутреннее электрическое поле не станет этому препятствовать. При этом, в равновесии уровни Ферми сравниваются (см. рис.9.10), а ток основных носителей I_осн будет равен току неосновных носителей I_осн = I_неосн

При прикладывании к p-n переходу внешней разности потенциалов U >0 (+) прикладывается к р-типу полупроводников, (-) к n-типу, ток основных носителей начинает быстро возрастать с ростом U .

При приложении обратного, запирающего напряжения U<0 ток основных но­сителей прекращается и остается лишь ток неосновных носителей .

В результате получается вольт-амперная характеристика, показанная на рис.9.11.

На полупроводниковых элементах в настоящее время создано огромное количество приборов, в частности, все компьютеры и электронные системы управления. На 90% настоящий и грядущий технический прогресс обусловлен развитием полупроводниковых технологий.