Зависимость концентрации носителей заряда от температуры

Элементы статистики электронов.

Из выражения для собственной концентрации носителей заряда

Находим зависимость логарифма n_i от T:

Рассмотрим примесный полупроводник.

В широком диапазоне температур и для различного содержания примесей имеют место температурные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа, показанные на 16.11 (рис.42.)

Рис. 16.11.

Область собстственной

Рис.16.12.Области собственной и примесной электропровод­ности в.зависимости от темпе­ратуры в полупроводнике

Проанализируем случаи:

а) N_Д1 - малая концентрация доноров. В области низких температур увеличение концентрации электронов при нагревании полупроводника обусловлено возрастанием степени ионизации доноров (участок 1-4). Каждый ионизированный донор можно рассматривать как центр, захвативший дырку.

Наклон прямой на участке 1-4 характеризует энергию ионизации примесей.

При дальнейшем повышении температуры при некоторой температуре (точка 4) все электроны с примесных уровней будут переброшены в зону проводимости. При этом вероятность ионизации собственных атомов полупроводника еще очень мала. Поэтому в достаточно широком температурном диапазоне (участок 4-6) концентрация носителей заряда остается постоянной и практически равной концентрации доноров. Этот участок называется областью истощения примесей.

При относительно высоких температурах (участок кривой за точкой 6) происходит переход в область собственной проводимости (перебросы электронов из валентной зоны через запрещенную в зону проводимости).

Крутизна кривой определяется DЭ - шириной запрещенной зоны.

Т_i - температура перехода к собственной электропроводности. Т_i для большинства полупроводников много больше Т_{комнатн}.

При повышении N_Д (N_Д2>N_Д1) кривые температурной зависимости смещаются вверх. Это следует из выражения (а). С повышением концентрации примесей уменьшается расстояние между атомами примесей. Это приводит к более сильному взаимодействию электронных оболочек примесных атомов и к расщеплению дискретных энергетических уровней в примесные зоны.

При достаточно большой концентрации N_Д3 их энергия ионизации DЭ_Д3=0, т.к. образовавшаяся примесная зона перекрывается зоной проводимости, т.е. такой полупроводник является вырожденным и способен проводить электрический ток при очень низких температурах.

Вырожденные полупроводники иногда называют полуметаллами.

При невысоких температурах полупроводника, в зависимости от валентности атомов примеси, в нем.можно ожидать примес­ную электропроводность — электронную или дырочную Рис. 16.12. При нагревании же полупроводника в нем будет значительно увеличиваться собственная электропроводность, при которой количества собственных свободных электронов и дырок равны.

Поэтому при высоких температурах преобладающей бу­дет собственная электропроводность, при которой действительны оба ее типа: п- и р-электропроводности. При этом исчезает раз­личие в электропроводности. Это означает, что если благодаря примесям германий при низких температурах имел преимуще­ственно дырочную электропроводность, то при высоких темпе­ратурах ее преобладание исчезает. График изменения величины удельной проводимости γ полупроводника в зависимости от тем­пературы показан на рис.16.12.

R,I

Рис.16.13. Зависимость сопротивления и тока в полупроводнике от на­пряжения.

Электрическое сопротивление полупроводниковых материалов не является величиной постоянной (как в металлических провод­никах), а зависит от величины прилагаемого к нему напряжения. Электрическое сопротивление полупроводников уменьшается с увеличением приложенного к ним напряжения, а ток увеличи­вается.

На рис. 16.13 показаны кривые зависимости сопротивления и тока в полупроводнике от приложенного к нему напряжения. Из рисунка видно, что падает, а ток резко возрастает. Полупроводник с несимметричной вольтамперной характеристикой в течение одной полуволны переменного напряжения будет пропускать ток, а в течение другой полуволны ток про­пускать не будет. Такие полупроводниковые материалы могут быть использованы для изготовления из них полупроводнико­вых выпрямителей.

Фотопроводимость

Весьма важным для использования полупроводниковых ма­териалов является тот факт, что некоторые полупроводники рез­ко повышают свою проводимость под действием световых излучений. Это вы­зывается тем, что световые излучения передают электронам, слабо закреп­ленным в атомах, определенные коли­чества энергии, достаточные для того, чтобы освободить их из атома. Это свой­ство полупроводников называется фотопроводимостью. Если такие полупро­водники приключить к внешнему

источ­нику напряжения, то в темноте они бу­дут иметь меньшую проводимость, а на свету или при специальном осве­щении — значительно большую. Это свойство используется в фотосопротивлениях, чувствительных не только к видимому участку спектра, но и к инфракрасным излучениям.

Полупроводники с фотопроводимостыо можно использовать для создания фотоэлементов, преобразующих энергию светового излучения в электрическую. Если осветить часть полупроводника, то в освещенном и неосвещенном участке возникнет различная концентрация электронов, т. е. создается разность потенциалов-— фотоэлектродвижущая сила. На этом принципе работают раз­личные фотоэлементы и преобразователи солнечной энергии в электрическую — солнечные батареи.

Далее см. с.60-66

Электронно-дырочный переход

Рис. 16.13.

При легировании одной области полупроводника акцепторной примесью, а другой области - донорной, возникает тонкий переходный слой, обладающий особыми свойствами. В этом слое, в результате диффузии носители заряда перемещаются оттуда, где их концентрация больше, туда, где их концентрация меньше. Таким образом, из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа диффундируют дырки, а из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа диффундируют электроны. При этом, они объединяются с имеющимися в соседних областях основными носителями противоположного знака - рекомбинируют. В этом случае, у границы переходного слоя возникает область обедненная подвижными основными носителями заряда и обладающая высоким сопротивлением - p-n переход. Неподвижные ионы, остающиеся по обе стороны граничного слоя создают одинаковые по значению, но разные по знаку пространственные объемные заряды: в p-слое - отрицательный, а в n-слое - положительный. Этот двойной электрический слой создает электрическое поле, которое препятствует дальнейшему проникновению носителей заряда и возникает состояние равновесия рис. 16.13, (рис. 1.2). При подключении источника тока так, что к области p-проводимости присоединен отрицательный полюс источника, а к области n-проводимости - положительный полюс возникает поле, под влиянием которого электроны и дырки будут в большом количестве соответственно отталкиваться в глубь полупроводников, рис.16.14.(рис. 1.3).

Рис. 16.14. Принцип работы перехода – а) обратное напряжение; б) – прямое напряжение.

P-n переход увеличится, его сопротивление возрастет и в цепи полупроводникового диода электрического тока практически не будет. Однако незначительному количеству неосновных носителей зарядов (положительных) из n-области и (отрицательных) из p-области, имеющих большие скорости, удастся проскочить p-n-переход, и в цепи будет протекать весьма небольшой ток, называемый обратным током.

Двойной электрический слой аналогичен конденсатору, в котором роль диэлектрика играет запирающий слой, имеющий значительное сопротивление. Емкость p-n-перехода, возникающая в этом случае носит название барьерной. Эта емкость оказывается нелинейно зависящей от обратного запирающего напряжения. С ростом обратного напряжения толщина запирающего слоя увеличивается, а емкость - уменьшается (рис.16.15) (1.4).

Рис. 16.15. Зависимость барьерной ёмкости от обратного напряжения.

При изменении полярности источника, подключенного к диоду, электроны n-области и дырки p-области будут взаимно притягиваться и перемещаться к границе этих полупроводников. P-n переход сужается, его сопротивление резко уменьшается, и создаются условия для перехода большого количества электронов из n-области в p-область, а следовательно, для перехода дырок в противоположном направлении. При таком включении полупроводникового диода в цепи появится значительный электрический ток, носящий название прямого тока.

Сила прямого тока в полупроводниках нелинейно зависит от величины приложенного к ним напряжения.

Из описания процесса, происходящего на границе двух полупроводников с различной по знаку проводимостью, следует, что они обладают, как и электронная лампа- диод, односторонней проводимостью. Это значит, что при направлении электрического поля, создаваемого приложенным к полупроводникам прямым напряжением, диод пропускает ток и сопротивление его мало, а при обратном направлении этого поля, создаваемого приложенным к полупроводникам обратным напряжением, сопротивление диода велико, а ток в его цепи весьма мал.

Рис. 16.16. Характеристика германиевого диода.

На риc.16.16 (1.5) показана типичная нелинейная характеристика диода. Вольтамперная характеристика диода описывается соотношением

,

где I₀ - обратный ток p-n перехода, U приложенное напряжение, j - температурный потенциал, при 300К j =26мВ. Для большей наглядности кривая прямого тока (правая часть графика) и кривая обратного тока (левая часть графика) построены в различных масштабах. Похожими свойствами обладает и контакт полупроводника с металлом, использующийся в диодах Шотки.

Дата добавления: 2014-01-04