Напівпровідникові прилади. Електропровідність напівпровідників. Домішкова провідність, страница 2

Якщо електрон отримує енергію, достатню для переходу його в зону вільних рівнів, то він звільняється від валентних зв’язків. Перехід електрона з валентної зони в зону вільних рівнів при вихідній нейтральності атома приводить до того, що в валентній зоні залишається незаповнений рівень. Такий вакантний рівень називається діркою. Графічну ілюстрацію цього явища пояснює рис. 2.2, на якому приведене умовне зображення чотирьохвалентного елемента кремнію в вигляді кристалічної решітки, де валентні зв’язки позначені подвійними лініями. Ширина забороненої зони W_З для кремнію рівняється 1.1 еВ. Якщо електрон одержить таку або більшу кількість енергії, він переходить в зону вільних рівнів, розриваючи один з валентних зв’язків. Цей процес називається термогенерацією носіїв. В валентній зоні завдяки цьому з’являється позитивно заряджена частка – дірка. Але не всі електрони, що звільнились від валентних звязків, залишають валентну зону. Частина з них, з малими енергіями, залишається в валентній зоні, тому розірваний валентний зв’язок може бути відновленим, якщо електрон іншого валентного рівня заповнить його. Заповлення  дірок відбувається за рахунок їх появи в іншому місці. Тому при наявності зовнішнього електричного поля і, як результат, при появі направленого переміщення електронів можна розглядати струм як перенос заряду двома частками – електронами і дірками (власна провідність). Необхідність врахування дірок пов’язана з тим, що ними враховується електрони, які переміщуються в валентній зоні. Одночасно з процесом генерації пар електрон-дірка має місце зворотній процес – рекомбінація зарядів. Він відбувається тому, що частина електронів з різних причин губить свою енергію і повертається з зони провідності в валентну зону. Інтервал часу t між генерацією заряджених частинок і іх рекомбінацією називається часом життя носіїв заряду. Явище рекомбінації виконує стабілізуючі функції відносно кількості носіїв заряду при постійній температурі, які задаються середніми концентраціями електронів n_і (negative) і дірок p_і (positive) в одиниці об’єму напівпровідника.

Відстань, яку проходить заряд за час життя, називається дифузійною довжиною.

Час життя носіїв і дифузійна довжина є статистичними параметрами. Зв’язок між ними визначається формулами:

де D_n,  D_p – коефіцієнт дифузії, відповідно, для електронів і дірок. Коефіцієнти дифузії є температурно залежними параметрами в пропорції D º T^1/2.

Середній час життя носіїв визначається як проміжок часу, на протязі якого створена будь-яким шляхом концентрація носіїв зменшується в е раз.

2.1.3. Домішкова провідність

Для чистих напівпровідників концентрація носіїв в робочому діапазоні температур досить низька, тому їх провідність близька до провідності діелектриків.

Суттєво змінюється характер розподілення зарядів, якщо в чистий напівпровідник додається матеріал другої валентності. Такi матеріали називаються домішковими. На рис.2.3, а приводиться графічна ілюстрація створення напівпровідника n-типу завдяки додаванню елемента V групи елементів таблиці Д. І. Менделеєва (фосфор, сурьма)  в чотирьохвалентний чистий напівпровідник (кремній). Так як на зовнішній орбіті п’ятивалентного елементу розміщується 5 електронів, то один з них не входить до парних валентних зв’язків і за своїм рівнем енергії розміщується на локальному енергетичному рівні, який розміщується в верхній частині забороненої зони при температурі абсолютного нуля (рис. 2.3, б). Тому  при робочій температурі завдяки тому, що ΔW_П << W_З, електрон звільняється від валенного зв’язку і переходить в зону вільних рівнів, залишаючи в валентній зоні позитивно заряджену частку – іон. Різниця між іоном і діркою полягає в тому, що іон не заміщується електронами.

Концентрація домішкових електронів встановлюється при виготовленні напівпровідника, і реально в зоні провідності вона значно перевищує власну концентрацію електронів. Тому такий матеріал називається напівпровідником з донорною (доданою) провідністю, або провідністю n-типу, а електрони з концентрацією n_n являються основними носіями заряду.  Кількість домішкових електронів не залежить від температури, але з її ростом зростає кількість власних електронів. Дірки, які обумовлені власною провідністю, маючи значно меншу концентрацію р_n, називаються неосновними носіями. Концентрація неосновних носіїв залежить від температури. Незважаючи на появу домішкових елементів, напівпровідник в цілому залишається електрично нейтральним, тому що заряд донорних електронів компенсується нерухомим зарядом іонів. Але при переміщенні основних носіїв з одної ділянки напівпровідника до іншої іони можуть створювати нерухомий  нескомпенсований об’ємний заряд.