Физические процессы в полупроводниках и их свойства. Термоэлектрические явления в полупроводниках

РАЗДЕЛ III

Полупроводниковые материалы

ТЕМА 10

Физические процессы в полупроводниках и их свойства

Основные обозначения

ρ – удельное сопротивление

п_–  – концентрация электронов

п₊ – концентрация дырок

п_о– коэффициент пропорциональности

ΔW – расстояние между валентной зоной и зоной проводимости

К – постоянная Больцмана

Т – температура полупроводника, термодинамическая температура

W – энергия

f – частота

D – коэффициент диффузии

п – подвижность носителей заряда

е – заряд электрона, основание натуральных логарифмов

L – диффузионная длина

τ – время жизни носителей заряда

р – тип дырочной проводимости

п – тип электронной проводимости

W_D – энергетический уровень донорных уровней

W_V – энергоуровни заполненной зоны

W_A – энергоуровни акцепторных примесей

W_E – энергоуровни зоны проводимости

W_C – энергия световых квантов

Р – вероятность существования электрона на энергетическом уровне W

W_Ф – энергетический уровень Ферми

γ – удельная проводимость

γ_о – коэффициент

γ_прим – удельная проводимость примеси

Е_ион – энергия активации

а, в – параметры материала

П – коэффициент Пельтье

α – коэффициент термо-ЭДС

λ – коэффициент теплопроводности

z – коэффициент термоэлектрической эффективности.

Согласно стандарта ГОСТа 19880-74 полупроводник-это вещество, основным свойством которого является сильная зависимость его электропроводности от воздействия внешних факторов (температуры, электрического поля, света и т.п.).

К классу полупроводников относятся вещества, которые с точки зрения электрической проводимости занимают промежуточное место между проводниками и электроизоляционными материалами. Удельная проводимость этих веществ лежит в диапазоне 10⁶...10^-8 см/м, что соответствует удельному электрическому сопротивлению 10^-6… 10⁸ Ом·м. Эти значения относятся к нормальным условиям. При повышенных температурах удельная проводимость многих электроизоляционных материалов повышается настолько, что по признаку удельного сопротивления их должны были бы считать полупроводниками. В то же время, удельная проводимость полупроводников при очень низких температурах может сравниться с удельной проводимостью электроизоляционных материалов так как при 0^о К полупроводники не содержат свободных электронов и поэтому представляют собой диэлектрики. Однако в отличие от диэлектриков у полупроводников при повышении температуры возникает проводимость.

Увеличение удельной электрической проводимости объясняется изменением концентрации свободных носителей зарядов. Существенно меньшей концентрацией свободных электронов можно объяснить и более низкую удельную проводимость полупроводников. Так, если в металлах концентрация свободных электронов находится на уровне 10²⁸м^-3, полупроводник с концентрацией   10²⁵м^-3 считается уже вырожденным, т.е. непригодным для использования в качестве полупроводника.

И наоборот, от электроизоляционных материалов полупроводники отличаются существенно большей удельной электрической проводимостью и механизмом электропроводности.

От проводниковых материалов полупроводники отличаются, прежде всего, более низкой удельной электрической проводимостью. Сказанное проиллюстрировано на рисунке 10.1, где схематично дан разброс удельных сопротивлений твердых тел.

 

10^-8   10^-6   10^-4      10^-2   1  10²     10⁴      10⁶      10⁸     10¹⁰   10¹²    10¹⁴ 10¹⁵  10¹⁶

Рис.10.1. Удельное сопротивление твердых тел ρ, Ом•см

 

Следовательно, эти границы условны и приведённые значения можно считать ориентировочными, особенно если учесть, что температурные коэффициенты удельного сопротивления могут отличаться не только по абсолютному значению, но и по знаку.

По признаку ширины запрещённой зоны полупроводниками считаются вещества, ширина запрещённой зоны которых лежит в диапазоне от 0,08..3 эВ, т.е. от разности энергий

W_c – W_v=∆W,                                                                                                                                                                              (10.1)

где W_c, W_v и ∆W приводятся на рис.10.4….10.6

Ширина запрещённой зоны не является постоянной, а зависит от температуры. Опытным путём было обнаружено линейное уменьшение ширины запрещенной зоны с температурой.

Это объясняется, во-первых, тем, что при изменении температуры изменяется амплитуда колебаний атомов решетки полупроводника, и, во-вторых, тем, что в результате температурного удлинения изменяется расстояние между атомами в решетке. Эти два фактора оказывают противоположные действия.

10.1. Классификация полупроводниковых материалов