7.3. Проводимость примесных полупроводников

Лекция № от 02.12.2011

Если в полупроводник введена донорная или акцепторная примесь , то при низких температурах, когда энергия тепловых колебаний недостаточна для переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости, свободные носители заряда могут появиться за счёт ионизации примесных уровней. Энергия их ионизации мала (см. 7.1). Поэтому связанный с донорным атомом электрон легко может быть оторван от этого атома, т.е. переведён с донорного уровня в зону проводимости. Чем выше температура, тем больше доноров отдадут свои электроны. В таком полупроводнике количество электронов в зоне проводимости будет значительно превышать количество дырок в валентной зоне, образовавшихся в результате межзонных переходов за счёт повышения температуры.

Электропроводность проводника, содержащего доноры, является электронной. Электроны являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными. Такой полупроводник называется электронным или донорным.

Полупроводник, содержащий акцепторную примесь, обеспечивает переход электронов из валентной зоны на акцепторные уровни. При этом в валентной зоне образуются свободные дырки. Количество свободных дырок значительно превышает количество свободных электронов, образовавшихся за счёт переходов из валентной зоны в зону проводимости, поэтому дырки являются основными носителями, а электроны – неосновными.

Проводимость полупроводника, содержащего акцепторную примесь, имеет дырочный характер, а сам полупроводник называется дырочным или акцепторным.

7.4. Свойства твёрдых тел в сильных электрических полях

Рассматривая электропроводность твёрдых тел мы считали, что время релаксации τ не зависит от электрического поля, и j = σε. Т.е. электропроводность не зависит от поля. Однако опыт показывает, что это наблюдается в полях, напряжённость которых меньше некоторого критического ε_кр. При σ меняется, т.е. закон Ома перестаёт выполняться.

Явления, приводящие к отступлению от закона Ома в сильных электрических полях, делятся на 2 группы:

1. Явления, изменяющие τ и подвижность носителей:

   1. Разогрев электронного газа

   2. Эффект Ганна.

2. Явления, изменяющие концентрацию носителей:

   1. Ударная ионизация

   2. Эффект Зинера.

7.4.1. Разогрев электронного газа

Подвижность носителей заряда определяется временем релаксации

В случае невырожденного электронного газа результирующая скорость движения электрона складывается из скорости дрейфа и тепловой скорости:

В слабых полях , и результирующая скорость определяется тепловой скоростью . Она не зависит от ε, следовательно не зависит от поля и подвижность. Так как концентрация электронов тоже не зависит от поля, электропроводность является константой. По мере увеличения ε возрастает скорость дрейфа. Когда становится сравнимой с , результирующая скорость v начинает зависеть от напряжённости ε. Это приводит к зависимости подвижности и электропроводности от ε, т.е. к отклонению от закона Ома. Увеличение скорости электронов в сильных полях приводит к возрастанию энергии электронов, и, следовательно, к увеличению температуры электронного газа.

Поэтому данный эффект называют разогревом электронного газа, а сами электроны в этом случае – горячие электроны.