- •Тема №3 полупроводниковые материалы
- •3.1. Общие сведения.
- •3.2. Собственные (чистые) полупроводники.
- •3.2.1. Концентрация собственных носителей заряда.
- •3.3. Примесные полупроводники
- •3.3.1. Донорные примеси
- •3.3.2. Акцепторные примеси.
- •3.3.3. Основные и неосновные носители зарядов.
- •3.4. Электропроводность полупроводников.
- •3.5. Воздействие внешних факторов на электропроводность полупроводников
- •3.5.1. Влияние температуры на электропроводность полупроводников.
- •3.5.2. Влияние деформации на электропроводность полупроводника.
- •3.5.3. Влияние света на электропроводность полупроводника
- •3.5.4. Влияние сильных электрических полей на электропроводность полупроводников
3.2. Собственные (чистые) полупроводники.
На внешней оболочке атомов простых полупроводников имеется четыре валентных электрона. Когда атомы связываются в кристаллическую решетку, эти электроны становятся общими для ближайших четырех атомов, такая связь называется ковалентной.
Рис. 3.1.Кристаллическая решетка собственного полупроводника
В невозбужденном состоянии свободных электронов нет. Но при внешнем энергетическом воздействии какому-либо электрону сообщается дополнительная энергия, он отрывается от атома и начинает свободно перемещаться по кристаллу. Но при этом на его месте образуется электронная дырка. Т.о. процесс генерации носителей в собственном полупроводнике – образование электронно-дырочной пары. А процесс исчезновения этой пары, т.е., когда дырка встречается с электроном – рекомбинация.
Дырки и электроны, образованные в процессе генерации, есть собственные носители зарядов ni , pi.
3.2.1. Концентрация собственных носителей заряда.
Так как при каждом акте возбуждения в собственном полупроводнике одновременно образуются два заряда, противоположных по знаку, то общее количество носителей будет в два раза больше числа электронов в зоне проводимости, т.е.
noi=poi, noi+poi=2 noi (3.1)
В результате процессов генерации и рекомбинации при любой температуре тела устанавливается равновесная концентрация возбужденных носителей:
электронов
noi=2Ncexp( ) (3.2)
дырок
poi=2NBexp( ) (3.3)
W - ширина запрещенной зоны полупроводника, Nc - эффективная плотность состояния (число энергетических уровней в единице объема ПП) в свободной зоне,
NB - то же в валентной зоне.
Коэффициент 2 показывает, что на каждом уровне могут находиться по два электрона с противоположными спинами.
- постоянная Больцмана.
В случае собственной электропроводности
ni=pi, но Jn> Jp
т.к. подвижность электрона больше подвижности дырки. А подвижность µ есть отношение скорости перемещения носителя к напряженности электрического поля в ПП:
= (3.4)
Следовательно, в поле кристаллической решетки электроны и дырки обладают различной инерционностью, т.е. отличаются друг от друга эффективными массами. В большинстве случаев, следовательно, собственная электропроводность полупроводника имеет слабо преобладающий электронный характер.
3.3. Примесные полупроводники
Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Поэтому в практике важное значение имеют такие полупроводниковые материалы, у которых ощутимая концентрация собственных носителей заряда наблюдается при достаточно высокой температуре, т.е. с большой шириной запрещенной зоны. Поставщиками свободных носителей зарядов в рабочем интервале температур в таких ПП являются примеси.
Примесями в простых полупроводниках являются чужеродные атомы. В химических же соединениях это не только чужеродные атомы, но и атомы тех самых элементов, избыточные по стехиометрическому составу. Кроме того, роль примесей играют дефекты кристаллической решетки.
Рассмотрим роль примесей, атомы которых создают дискретные энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника.