Собственная проводимость полупроводников. Электронная и дырочная проводимости.
Собственная проводимость — это электрическая проводимость химически чистого (нелегированного) полупроводника, обусловленная парным рождением электронов и дырок в результате теплового возбуждения.
1. Механизм Собственной Проводимости
В чистых полупроводниках
(например, кремнии
или германии
),
каждый атом связан с четырьмя соседними
атомами ковалентными связями. При
абсолютном нуле (
),
все валентные электроны участвуют в
этих связях, валентная зона полностью
заполнена, и полупроводник является
диэлектриком (изолятором).
При повышении температуры
(
)
тепловая энергия может разорвать
некоторые ковалентные связи.
Электрон, получивший энергию, достаточную для преодоления малой запрещённой зоны ( ), переходит из валентной зоны в зону проводимости.
Место, покинутое электроном в валентной зоне, становится незаполненным состоянием, которое называют дыркой.
Таким образом, каждый акт разрыва связи рождает одну электрон-дырочную пару.
2. Электронная Проводимость (Проводимость -типа)
Электронная проводимость осуществляется свободными электронами в зоне проводимости.
Носитель заряда:
Свободный электрон (несёт отрицательный
элементарный заряд,
).
Электрон, попавший в зону проводимости, легко перемещается под действием внешнего электрического поля, создавая ток.
В чистом полупроводнике
концентрация электронов (
)
равна концентрации дырок (
):
(где
— собственная концентрация носителей).
3. Дырочная Проводимость (Проводимость -типа)
Дырочная проводимость осуществляется за счёт движения дырок в валентной зоне.
Носитель заряда: Дырка (несёт положительный эффективный заряд, ).
Дырка — это не реальная частица, а вакантное место в заполненной зоне. Под действием электрического поля соседний валентный электрон перескакивает в это свободное место, заполняя дырку. При этом дырка как бы перемещается в направлении, противоположном движению электрона. Таким образом, движение дырок эквивалентно движению положительных зарядов.
Итог
Собственная проводимость полупроводника является смешанной — она обусловлена одновременным движением электронов и дырок.
Где:
— удельная электропроводность.
— элементарный заряд.
и
— подвижности электронов и дырок
(скорость дрейфа в единичном электрическом
поле).
В большинстве полупроводников
(например,
и
)
подвижность электронов (
)
значительно выше, чем подвижность
дырок (
).
Примесная проводимость полупроводников. Донорные и акцепторные примеси.
Примесная проводимость — это электрическая проводимость полупроводника, которая создается или значительно усиливается за счет добавления в чистый материал (матрицу) атомов посторонних элементов (примесей). Этот процесс называется легированием и позволяет целенаправленно создавать полупроводники с преобладающим типом носителей заряда: электронным ( -типа) или дырочным ( -типа).
1. Донорные Примеси (Полупроводники -типа)
Донорные примеси — это атомы, которые, будучи введёнными в кристаллическую решётку полупроводника, отдают ("дарят") в неё лишние электроны, становясь при этом положительно заряженными неподвижными ионами.
Механизм -проводимости
Для кремния или германия
(
— IV группа, 4 валентных
электрона) в качестве доноров используются
элементы V группы
(например, фосфор
,
мышьяк
),
имеющие 5 валентных электронов.
Четыре из пяти валентных электронов атома примеси участвуют в ковалентных связях с соседними атомами матрицы.
Пятый электрон оказывается слабо связанным с атомом примеси.
На энергетической
диаграмме этот электрон образует
донорный уровень (
),
расположенный непосредственно под
зоной проводимости (запрещённая зона
очень мала, порядка
).
При небольшом тепловом возбуждении этот электрон легко переходит в зону проводимости.
Носители:
Основные носители: Электроны (
).Неосновные носители: Дырки.
Полупроводник: -типа (от negative — отрицательный заряд).
2. Акцепторные Примеси (Полупроводники -типа)
Акцепторные примеси — это атомы, которые захватывают ("принимают") электроны из валентной зоны полупроводника, создавая тем самым подвижные дырки и становясь при этом отрицательно заряженными неподвижными ионами.
Механизм -проводимости
Для кремния или германия
(
)
в качестве акцепторов используются
элементы III группы
(например, бор
,
индий
),
имеющие 3 валентных электрона.
Атом примеси использует все три своих валентных электрона для ковалентных связей с соседними атомами, но ему не хватает одного электрона для завершения четвёртой связи.
Атом примеси "отнимает" электрон у соседнего атома матрицы, тем самым завершая свою связь, но образуя дырку в валентной зоне атома матрицы.
Этот незаполненный
уровень называется акцепторным
уровнем (
)
и расположен непосредственно над
валентной зоной (запрещённая зона
очень мала).
Валентный электрон легко переходит на акцепторный уровень, оставляя за собой дырку.
Носители:
Основные носители: Дырки (
).Неосновные носители: Электроны.
Полупроводник: -типа (от positive — положительный заряд).
Сводная Таблица
Характеристика |
-тип (Доноры) |
-тип (Акцепторы) |
Примесь
(для
|
V группа (5 вал. электронов) |
III группа (3 вал. электрона) |
Роль примеси |
Отдаёт электрон |
Принимает электрон (создаёт дырку) |
Основной носитель |
Электроны ( ) |
Дырки ( ) |
Положение уровня |
Близко к зоне проводимости |
Близко к валентной зоне |
Ион примеси |
Неподвижный положительный ион |
Неподвижный отрицательный ион |
)