При комнатной температуре (300 К) энергия теплового движения kT ≈ 0,026 эВ. Это средняя тепловая энергия частиц, на один – два порядка меньшая энергии связи полупроводников. Отдельные частицы могут обладать энергией, большей, чем величина DW. Происходит разрыв электронных связей атомов. Вырванный со своей орбиты электрон (- q) покидает кристаллическую решетку и становится свободным (возбужденным). Не занятое место в валентной зоне, которое покинул электрон, называется дыркой (рис. 8.4). На место разорванной связи может переместиться валентный электрон соседнего атома, что равнозначно движению положительно заряженной частицы – дырки (+ q). Для того чтобы дырка перемещалась по кристаллу, никакой энергии не требуется.
Рис. 8.4 Кристаллическая решетка собственного полупроводника (а)
и его зонная энергетическая диаграмма (б).
Итак, если с помощью фотонов света или тепловой энергии разорвать межатомную связь, то под действием электрического поля появляются две составляющие тока: движение свободного электрона и перемещение электронов с соседних орбит (прежде всего соседних атомов) на место освободившейся пустой связи – дырки. Электрон и дырка в данном случае движутся навстречу друг другу. В собственном полупроводнике их число равно и с ростом температуры увеличивается:
 |
(1)
где: ni, pi– число электронов и дырок;
T – температура (К);
А - коэффициент пропорциональности (см -3).
Отметим свойство данной экспоненциальной зависимости: увеличение DW в 1,27 раза при переходе от кремния к арсениду галлия влечет за собой уменьшение вероятности образования электронно-дырочной пары примерно в 100 000 раз. Во столько же раз уменьшится эта вероятность при снижении температуры, например, кремния от 20º С до -78º С.
Процесс возникновения в полупроводнике подвижных носителей зарядов (электронов и дырок) под действием фононов тепловой энергии называется термогенерацией носителей зарядов. Возникшие носители зарядов совершают хаотическое тепловое движение и электрон, исчерпав энергию от соударения с атомами, рекомбинирует (восстановление, лат.) с одной из дырок (занимает разорванную ковалентную связь).
Электропроводность, вызванная в полупроводниках термогенерацией носителей зарядов, называется собственной электропроводностью.
В полупроводниках различают следующие виды электрического тока:
- дрейфовый ток – направленное движение зарядов в электрическом поле (рис. 8.5, а);
- диффузионный ток – диффузия носителей зарядов в сторону их меньшей концентрации (рис. 8.5, б).
Рис. 8.5 Виды тока в полупроводнике: дрейфовый (а), диффузионный (б).
8.2 Примесные полупроводники
Полупроводники с электронной проводимостью
Исследование электропроводности полупроводников показало ее сильную зависимость от наличия даже незначительных примесей других химических элементов. С помощью примесей получают необходимые характеристики полупроводниковых приборов.
При введении в четырехвалентный полупроводник примесных пятивалентных атомов (фосфор Р, сурьма Sb, мышьяк AS и т.д.) они замещают основные атомы в кристаллической решетке. Четыре валентных электрона атома примеси связаны с четырьмя валентными электронами соседних атомов основного полупроводника. Пятый электрон не участвует в создании кристаллической решетки и слабо связан с атомом примеси. При внешнем воздействии он становится свободным, а атом примеси – положительно заряженным ионом (рис. 8.6, а). Примеси, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными (donare (лат.) – дарить, жертвовать).
Рис. 8.6 Кристаллическая решетка полупроводника с электронной проводимостью (а)
и его зонная энергетическая диаграмма (б).
Примеси подбирают таким образом, чтобы их энергетические уровни Wд располагались в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости основного полупроводника, выше его уровня Ферми WF, который равен половине значения DW (мелкие примеси, имеют малую энергию связи). Поэтому, даже незначительное внешнее воздействие DWQ, называемое энергией активации примеси, приводит к появлению свободных электронов (рис. 8.6, б). Например, для мышьяка, введенного в кремний, DWQ = 0,05 эВ. Число примесных электронов определяется по формуле:
 |
(2)
где: DWQ – энергия активации примеси (эВ);
ND – концентрация донорной примеси;
В – коэффициент пропорциональности (см -3).
Чем больше кинетическая энергия электрона, тем выше он располагается на энергетической диаграмме.
В полупроводниках с электронной проводимостью (или n-типа), электроны – основные носители заряда, дырки не основные носители заряда.
Появление дырок связано с термогенерацией. Однако их концентрация значительно ниже, чем в собственных полупроводниках из-за избытка электронов, следовательно, большой вероятности встречи с ними дырок и рекомбинации.
На рис. 8.7 изображена кривая, которая представляет типичную зависимость концентрации свободных электронов в полупроводнике от температуры.
Выбор координат связан с желанием получения линейной графической зависимости на основе выражений (1), (2). Тангенсы углов наклона прямых на графике пропорциональны DWQ и DW.
При низких температурах (правая часть графика) концентрация электронов в полупроводнике определяется концентрацией примесей. С ростом температуры примесная проводимость растет и на этом участке определяется формулой (2). При некоторой температуре концентрация электронов перестает зависеть от температуры (область примесного истощения).
Все атомы примеси уже ионизированы, а собственная концентрация электронов все еще гораздо меньше, чем примесная.
Рис. 8.7 Зависимость логарифма концентрации электронов от обратной температуры
При более высоких температурах начинается очень резкий рост концентрации электронов с дальнейшим повышением температуры. Это область собственной проводимости, которая определяется формулой (1).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.