Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников.

Полупроводники́ — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков.Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры. В зависимости от того, отдаёт ли атом примеси электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи абсолютного нуля температуры полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Это обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.

С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением: , где ρ удельное сопротивление, μ_n — подвижность электронов, μ_p — подвижность дырок, N_n,_p — их концентрация, q — элементарный электрический заряд (1,602×10−19 Кл).

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула принимает вид:

Потенциалы возбуждения, ионизации

Возбуждение- квантовый переход атома или молекулы с более низкого (напр., основного) уровня энергии на более высокий при поглощении ими фотонов (фотовозбуждение) или при столкновениях с электронами и др. частицами (возбуждение ударом). Атомы вещества могут находиться в состояниях с различными значениями энергии, в основном когда энергия атома минимальна ( Wo ), и в одном из возбужденных состояний. Энергия возбужденного состояния может принимать только дискретные значения Wn > Wo , определяемые структурой данного атома. Разность энергий двух состояний ∆Wmn = Wm − Wn называют энергией перехода из состояния (или энергетического уровня) номер m в состояние (на уровень) номер n. Величину Un = (Wn − Wo) / e принято называть потенциалом возбуждения n-го уровня. При переходе на более высокий (с большей энергией) уровень атомы поглощают энергию, а на более низкий - отдают ее. Переходы атома с уровня на уровень могут происходить как в результате поглощения или исчезновения фотона (радиационные переходы), так и в результате столкновений с другими частицами (безизлучательные, или релаксационные переходы). Безизлучательные переходы в возбужденное состояние могут происходить, в частности, под действием электронного удара - столкновения свободных электронов неподвижными атомами. При этом оказывается, что поглощение проходящих через вещество электронов существенно зависит от их энергии. Величина потенциала ионизации и возбуждения зависит от природы атома. Количество энергии, которое необходимо для выделения электрона из металла или жидкого тела, называется работой выхода электрона и выражается в электрон-вольтах.

Иониза́ция — эндотермический процесс образования ионов из нейтральных атомов или молекул.Положительно заряженный ион образуется, если электрон в атоме или молекуле получает достаточную энергию для преодоления потенциального барьера, равную ионизационному потенциалу. Отрицательно заряженный ион, наоборот, образуется при захвате дополнительного электрона атомом с высвобождением энергии.Принято различать ионизацию двух типов — последовательную (классическую) и квантовую, не подчиняющуюся некоторым законам классической физики.

Квантовая ионизация. Генрих Герц установил, что под действием света из тела могут вырываться электроны — было открыто явление фотоэффекта.Фотоны, которые способные поглощаться или излучаться как целое одним электроном, придают ему достаточную кинетическую энергию для преодоления силы тяготения электрона к ядру — возникает квантовая ионизация.

Методы, использующиеся для ионизации проводящих материалов:

Искровая ионизация: за счёт разницы потенциалов между кусочком исследуемого материала и другим электродом возникает искра, вырывающая с поверхности мишени ионы.

Ионизация в тлеющем разряде происходит в разряжённой атмосфере инертного газа (например, в аргоне) между электродом и проводящим кусочком образца.

Ударная ионизация. Если какая-либо частица с массой m (электрон, ион или нейтральная молекула), летящая со скоростью V, столкнется с нейтральным атомом или молекулой, то кинетическая энергия летящей частицы может быть затрачена на совершение акта ионизации, если эта кинетическая энергия не меньше энергии ионизации.