75.Собственная проводимость полупроводников

Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники, а их проводимость называется собственной проводимостью.

Рассмотрим процесс образования кристаллической решётки. Т.к. у каждого атома германия на внешнем уровне 4 электрона, при сближении каждый атом германия соединяется с соседним. Каждая черточка обозначает связь, осуществляемую одним электроном. В идеальном кристалле при 0 К такая структура представляет собой диэлектрик, так как все валентные электроны участвуют в образовании связей и, следовательно, не участвуют в проводимости.

П

Зона проводимости

ри повышении температуры тепловые колебания решетки могут привести к разрыву некоторых валентных связей, в результате чего возникает дырка, заполнить которую могут электроны из соседней пары. В результате дырка, так же как и освобо­дившийся электрон, будет двигаться по кристаллу. Движение электронов проводимо­сти и дырок в отсутствие электрического поля является хаотическим. Если же на кристалл наложить электрическое поле, то электроны начнут двигаться против поля, дырки- по полю, что приведет к возникновению собственной проводимости герма­ния, обусловленной как электронами, так и дырками.

Запрещённая зона

Валентная зона

По зонной теории, у атома германия валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости пустая. Некоторые электроны из валентн. зоны переходят в зону проводимости, образуются дырки. Таким образом, в собственных полупроводниках наблюдаются два механизма проводимости: электронный и дырочный

76. Примесная проводимость полупроводников

Примесная проводимость – проводимость, обусловленная примесями (атомы посторонних элементов, внедрённых в кристаллич. решётку).

Полупроводники n-типа – полупроводники с примесями, валентность кот. на 1 больше валентности основных атомов.

Например, если в кристалл Ge (германия) ввести пятивалентный атом мы­шьяка, 4 атома образуют ковалентные связи с 4-мя атомами Ge, а 5-ый может быть отщеплен от атома, т. е. стать свободным. Т.к. ковалентная связь в данном случае не нарушается, то вакантное место (дырка) не возникает. Избыточный положительный заряд, кот. возникает в результате этого, связан с атомом примеси и поэтому перемещаться по решетке не может. Т.е. в кристалле возникает изначально электронная проводимость (или провод-ть n-типа)

П

зона проводимости

о зонной теории, введение примеси искажает поле решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне донорного энергетического уровня валентных электронов мышьяка, называемого примесным уровнем. В случае германия этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии E=0,013 эВ. Образовавшийся при этом положительный заряд будет связываться на донорном уровне с атомом мышьяка. Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни - донорными уровнями.

E(стрелка не к линии,а к маленькому промежумеж. ними)

Запрещённая зона

валентная зона

В отличии от собственной проводимости, кот. осуществляется и электронами, и дырками, примесная проводимость данного типа обусловлена носителями одного знака – электронами.

Полупроводники p-типа- полупроводниках с примесью, валентность которой на 1 меньше валентности основных атомов

Д

в

ля образования ковалентных связей с четырьмя атомами Ge у атома бора не хватает 1-го электрона,т.е.одна из связей остается неукомплектованной,на это место может претендовать любой из соседних электронов.Т.к. дырки не являются изолированными, они перемещаются по кристаллу как свободные положительные заряды. Избыточный же отриц-ный заряд локализуется самим атомом и по кристаллу перемещать­ся не может.

По зонной теории, введение трехвалентной примеси в решетку германия приводит к возникновению в запрещенной зоне примесного энергетического уровня, не занято­го электронами. В случае германия с примесью бора этот уровень располагается выше верхнего края валентной зоны на расстоянии E=0,08 эВ (рис. 320, б). Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что при сравнительно низких тем­пературах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни и, связываясь с атомами бора, теряют способность перемещаться по решетке кристалла, т. е. в прово­димости не участвуют, носителями являются лишь дырки.

зона проводимости

з

E

апрещенная зона

валентная зона

Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, называются акцепторами, а уровни- акцепторными уровнями.

Таким образом, в полупроводниках p-типа, дырочный механизм проводимости.

77. Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n-переход)

р,n переход – основа всех диодов и транзисторов.

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой — дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или p-n-переходом). p-n-переход нельзя осущест­вить просто механическим соединением двух полупроводников, переход создаётся при выращивании кристаллов, Первоначально p-n-переход получ. так: накладывалась индиевая «таблетка», эта система нагревалась при 500°С в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия проникали на некоторую глубину в германий. Затем расплав медленно охлаждают,кристалл германия, содер­жащий индий,стал обладать дырочной проводимостью, т.е. на границе кристалла германия n-типа образуется тонкий слой кристалла p-типа.

Физические процессы, происходящие при контакте полупроводников n и p-типа.

-

+

-

+

-

+

n

р

У электронов из n-полупроводника концентрация выше, чему р-типа.А в p-типе вакантных мест дырок больше, чем в n-типе.

В результате хаотического теплового движения,электроны из кристалла n-типа будут переходить в р-область, а дырки в противоположном направлении,из-за разностей концентраций.Таким образом,полупров. р-типа на границе образуется избыточный отрицательный заряд, а на n-типа образ-ся избыточный положительный заряд.Так на границе р-n-перехода возникает электрическое поле, направленное от n-области к p-области,величина этого поля небольшая.