Концентрация электронов в зоне проводимости

Концентрация электронов в зоне проводимости определяется формулой:

где N_C – эффективная плотность состояний в зоне проводимости. Аналогично:

где N_V - эффективная плотность состояний в валентой зоне. Мы знаем, что концентрации электроной и дырок одинаковы, т.е. n=p=n_i, кроме того,

В этой формуле наиболее сильно всё зависит от членой в экспоненте. Так например, при комнатной температуре получается:

	Eg, эв	ni, см^-3
германий	0,66	2*10^13
кремний	1,12	10^10
арсенид галлия	1,42	10^6

Хорошо видно, что при небольших изменениях ширины запрещённой зоны сильно изменяется концентрация носителей заряда. Так, у германия в одном кубическом см будет 2*10¹³ электронов или дырок, а у арсенида галлия – всего 10⁶, т.е. в 10 миллионов раз меньше. Поэтому между диэлектриками и полупроводниками нет принципиальной разницы, а есть только количественная – у диэлектриков просто ширина запрещённой зоны немного шире 1,6 эв.

До сих пор мы имели ввиду абсолютно чистые кристаллы, не имеющие никаких примесей. На самом деле примеси есть и играют очень большую роль. Чистые полупроводники называются собственными, а с примесями – примусными. Рассмотрим наиболее простые примеси, отличающиеся от атомов кремния и германия на одну валентность (валентность кремния и германия 4).

Если имеется примесь с 5 электронами на внешней орбите, то в связях с кремнием или германием участвуют 4 электрона, а пятый – лишний, он легко отрывается от атома примеси и может свободно двигаться по кристаллу. Таким образом, в полупроводнике появляются лишние электроны, а вследствие рекомбинация количество дырок уменьшается. Происходит сдвиг уровня Ферми вверх, равновесные концентрации электронов и дырок меняются, а их произведение остаётся прежним, см. рис. При этом примесь, отдающая один электрон, называется донором.

При введении в полупроводник другой примеси, 3-х валентной, происходит иная ситуация: для четырёхкратной связи атомам полупроводника не хватает одного электрона. Поэтому полупроводник отдаёт один электрон, количество электронов уменьшается, а вследствие рекомбинации количество дырок растёт. Это иллюстрирует нижний рис. Такие примеси называются акцепторами.

Полупроводник с дозорной примесью называется электронным, или полупроводником n – типа, а полупроводник с акцепторной примесью называется дырочным, или p – типа. Существенно, что большинство полупроводниковых приборов использует контакт полупроводников n- и p- типов, поэтому не стараются использовать чистые полупроводники, а наоборот, делают примесные полупроводники.

Дата добавления: 2015-06-04