ЛЕКЦИЯ 2: Электропроводность полупроводников

Тема 1.1. Физические основы полупроводниковых приборов

Электропроводность - способность веществ проводить электрический ток. По электропроводности вещества делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Значения удельной электрической проводимости этих трёх классов веществ приведены в таблице 1.1.

Таблица1.1.Удельная электрическая проводимость веществ

Класс вещества	Удельная электрическая проводимость, 1/(Ом • см)	Удельное электрическое сопротивление, Ом • см
Проводники	10^4-10^6	<10^-4
Полупроводники	10^-10-10^4	10^-4-10^10
Диэлектрики	<10^-10	>10^10

Атом любого вещества состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются электроны, имеющие отрицательный заряд. Количество электронов определяется местом элемента в периодической системе элементов Менделеева. Электроны вращаются вокруг ядра по определённым орбитам. Чем дальше орбита от ядра, тем большей энергией обладает электрон и тем слабее его связь с ядром (рисунок 1.2,а). Чтобы перевести электрон с одной орбиты на другую, надо затратить энергию. Заряд ядра определяется количеством электронов в атоме. Количество валентных электронов определяется номером группы, в которой расположено вещество в периодической системе элементов. На рисунке 1.2,б представлена энергетическая структура полупроводника.

а б

Рисунок 1.2 а – Плоскостная модель атома кремния;

б – Энергетическая структура полупроводников

Валентная зона (ВЗ) – совокупность энергетических уровней валентных электронов;

Зона проводимости (ЗП) – совокупность энергетических уровней
свободных электронов;

Запрещённая зона (ЗЗ) – совокупность энергетических уровней, которыми не могут обладать электроны; это энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он стал свободным.

Электропроводность вещества определяется количеством в нем свободных носителей зарядов.

Полупроводники (ПП) – это вещества, электропроводность которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Электропроводность полупроводников зависит от изменения температуры окружающей среды, освещенности, примесей.

Атомы полупроводников имеют четыре валентных электрона. Наиболее широкое применение получили германий Ge и кремний Si. Ширина запрещенной зоны для кремния составляет 1,12 эВ, для германия – 0,72эВ. Полупроводники, не имеющие примеси, называются собственными. На рисунке 1.3,а показана плоскостная схема кристаллической решетки кремния, а на рисунок 1.3,б образование собственной электропроводности полупроводника.

а б

Рисунок 1.3 а – Плоскостная схема кристаллической решетки кремния; б - Образование собственной электропроводности

Каждый электрон вращается вокруг своего ядра и ядра соседнего атома, создавая ковалентную или парноэлектронную связь. Разрыв этой связи (связи двух соседних атомов) приводит к появлению свободного электрона и незанятого валентного уровня у атома. Возникает пара носителей зарядов. Этот процесс носит название процесса генерации. Таким образом, в ПП электропроводность определяется движением двух носителей зарядов: электронов и дырок. Дырка – это не занятое электроном энергетическое состояние в валентной зоне ПП. В собственном ПП количество электронов и дырок одинаковое, т. е. N_i = P_i,

где: N_i – концентрация электронов в собственном ПП;

P_i – концентрация дырок в собственном ПП.

ΔW_ЗЗ – минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он перешел из валентной зоны в зону проводимости Любой электрон, свободный или перешедший из соседней ковалентной связи, может заполнить дырку и она исчезнет (исчезнет и пара носителей заряда), но рядом образуется другая дырка, т. е. дырки, как и свободные электроны, совершают хаотическое тепловое движение в полупроводнике.

Рекомбинация – это процесс исчезновения пары носителей зарядов, т. е. процесс заполнения дырки свободным электроном.

Проводимость собственного полупроводника невелика и увеличивается с повышением температуры.

Дата добавления: 2014-11-16