В металлах, где все валентные электроны являются электронами проводимости, запрещенная зона отсутствует, и валентная зона частично перекрывается с зоной проводимости

W

При D W < 3 эВ твердое тело принято считать полупроводником.

При D W > 3 эВ твердое тело принято считать диэлектриком.

Полупроводник приобретает проводимость в том случае, если электронам, находящимся на энергетических уровнях внутри валентной зоны, внешним воздействием (нагреванием, освещением) сообщается энергия (равная или больше DW), достаточная для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости.

Электрон, находящийся в зоне проводимости и являющийся подвижным носителем заряда, называется электроном – проводимости.

Одновременно в валентной зоне из-за ухода электрона появляются свободные уровни и, следовательно, валентные электроны тоже получают возможность переходить с одних уровней на другие (свободные) и тем самым изменять энергию. Валентные электроны, как и электроны проводимости, могут создавать ток через полупроводник.

При уходе валентного электрона образуется положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона; этот положительный заряд следует относить к валентной связи между двумя атомами, нарушенной уходом валентного электрона.

Незанятое электроном энергетическое состояние в валентной зоне, обладающее положительным зарядом, называется дыркой.

При создании электронного поля в полупроводнике валентные электроны переходят из заполненных связей в соседние незанятые связи в направлении увеличения потенциала поля, что эквивалентно перемещению дырок в обратном направлении.

Итак – в полупроводниковых приборах возможны 2 вида электропроводимости – электронная (в результате перемещения электронов проводимости) и дырочная (в результате перемещения дырок).

Полупроводники представляют собой вещества, которые по удельной электропроводимости 10^-6 – 10^-8 1/Ом ^. см являются промежутожными между проводниками и диэлектриками. Их удельная проводимость сильно зависит от t и концентрации примесей и внешних воздействий света, электрического поля.

По составу полупроводники делятся на простые – образованными атомами одного химического элемента – германий Ge, кремний Si, селен Se и сложные – химические соединения или сплав двух или нескольких химических элементов – антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs.

По типу электронной проводимости различают собственные полупроводники (полупроводники i-типа), если их электронная проводимость обусловлена генерацией пар – электрон-дырка, и примесные полупроводники с электронной проводимостью – n-типа, если их электропроводимость обусловлена перемещением электронов, появившихся в результате ионизации атомов донорной примеси (отдающей электроны) и примесные полупроводники c дырочной проводимостью – p-типа, если их проводимость обусловлена в основном перемещением дырок, возникших в результате ионизации атомов акцепторной примеси (отдающей электроны.)

2. Собственные полупроводниковые приборы.

Основным материалами, наиболее часто используемыми в полупроводниках, являются Ge и S; – элементы четвертой группы периодической системы элементов Менделеева. Среднее значение тепловой энергии валентных атомов, колеблющихся около узлов кристаллической решетки k^.T = 0.027 эВ при комнатной температуре. Необходимая для генерации пары энергия равна для Ge – 0.72 эВ, для Si – 1,12 эВ. Одновременно с генерацией происходит и обратный процесс – исчезновение электронов и дырок в результате их рекомбинации, при которой электрон восстанавливает разорванную валентную связь. В собственных полупроводника при Т = 0 К электроны и дырки отсутвуют и внешнее напряжение не вызывает в нем ток. С возрастанием Т электропроводность растет по экспонентному закону. Собственная электропроводность может иметь место лишь в сверхчистых и сверхсовершенных кристаллах, где не содержится чужеродных атомов и не нарушена периодичность кристаллической решетки. Практически возможно только приближение к электропроводности i-типа.

3. Примесные поупроводники

В большинстве полупроводниковых приборов применяются примесные проводники, т.к. введение примеси увеличивает удельную электропроводность в тысячи раз. До внесения примеси полупроводниковый материал очищают от вредных примесей (железо, никель, медь), затем в него вносят полезные примеси обычно в пределах 10^-5 – 10^-7 концентрации атомов полупроводника. Чаще всего атомы примеси замещают атомы основного материала в узлах кристаллической решетки. В качестве донорной примеси используют элементы пятой группы периодической системы элементов: сурьму, мышьяк, фосфор. Четыре валентных электрона этих элементов образуют связи с четырьмя соседними атомами Ge или Si, а пятый валентный электрон, оказавшись несвязанным, уже при малых значениях сообщаемой ему энергии может оторваться от атома и стать электроном проводимости, атом же примеси превращается при этом в положительно заряженный ион (донор), который локализуется в узле кристаллической решетки и не участвует в создании тока.

Для получения акцепторных примесей используют элементы третьей группы периодической системы – индий, галлий, алюминий, бор. Атомы этих элементов захватывают электроны из валентных связей между двумя соседними атомами основного полупроводника создавая положительно заряженные акцепторы.

Минимальная энергия, необходимая для создания подвижного носителя электрона, называется энергией ионизации доноров. Wд = для Ge –0.01 –0.13 эВ, для Si – 0.04 – 0.05 эВ. Wд = Wа.

ННЗ. n>>p.

В полупроводнике n-типа основные носители заряда – электроны ОНЗ, неосновные носители заряда – дырки ННЗ p<<n

В полупроводниках p-типа основные носители заряда – дырки, неосновные носители заряда – электроны. p>>n.

Токи в полупроводниках – направленное движение зарядов – электронов и дырок.

Различают:

– диффузионный ток – движение зарядов от большей концентрации к меньшей

– дрейфовый – движение зарядов под действием электрического поля.

Электрон движется навстречу силовым линиям электрического поля, дырка – по силовым линиям.

2.1.2 Электронно - дырочный переход (р - n переход).

2.1.2.1 Процессы в p- n переходе при отсутствии внешнего источника.

(изолированный p- n переход)

Электронно – дырочным или p – n переходом называют область на границе полупроводника с различным типом проводимости.

Его получают вплавлением или диффузией соответствующих примесей в монокристаллы полупроводника.

Рассмотрим процессы в изолированном p – n переходе при одинаковой концентрации дырок и элементов в p и n областях:

эпюра напряжений

а) вследствие наличия градиента концентрации носителей зарядов начинается встречное движение электронов и дырок. à диффузионный ток ОНЗ – jдиф. ОНЗ.

б) электроны и дырки, переходя в соседние области рекомбинируют – концентрация основных носителей в пограничных областях снижается, т.е. на границе полупроводника с различным телом проводимости образуется

слой, бедный ОНЗ и близкий по проводимости к диэлектрику. б – изолирующий слой (запирающий).

в) по краям изолированного слоя в области n сосредотачиваются положительно заряженные ионы донорной примеси (неподвижные узлы кристаллической решётки – атомы, получившие положительную ионизацию, а в области p – отрицательно заряженные ионы акцепторной примеси(атомы присоединившие элементы)).

г) между противоположными зарядами возникает внутреннее электрическое поле Евнутр., силовые линии которого направлены из n к p.

д) Евнутр препятствует диффузионному движению ОНЗ. jдиф. снижается.

е) Евнутр способствует движению через p – n переход

ННЗ à дрейфовый ток ННЗ ^; jдрейф ^ - направление ротивоположное jдиф

ж) Поскольку в изолированном полупроводнике плотность тока = 0 – наступает динамическое равновесие: jдиф.онз – jдрейф.онз = 0

з) в p-n переходе устанавливается контактная разность потенциалов (потенциальный барьер). Uконт,которая определяется концентрацией примесей в n и p областях, чем > Uконт, тем более широкую полосу по кидают ОНЗ на границе.

2.1.2.2 Прямое включение p – n перехода.

Дата добавления: 2014-11-18