Лекция №14

(Буланчук О.Н., каф. физики ПГТУ )

Примесная проводимость полупроводников.

П

Рис. 14.1 Схема энергетических уровней в примесных полупроводниках

ри внесении в чистый полупроводник атомов другого вещества (или при наличии дефектов кристаллической решетки) структура энергетических уровней изменяется. Далее будем рассматривать случай, когда атом кристаллической решетки замещается атомом примеси, валентность которого отличается от валентности основного полупроводника. Если валентность примеси больше, например, в четырехвалентный германий вносится примесь 5 валентного мышьяка(в концентрациях%, один атом примеси наатомов вещества), тогда пятый электрон оказывается незадействованным в ковалентных связях и вследствие этого более слабо связан с атомом. На энергетической шкале (как показали расчеты) появляются локальные энергетические уровни (донорные) вблизи дна зоны проводимости на расстоянииэВ.сравнима с тепловой энергией ().

Это означает, что энергии теплового возбуждения достаточно для того, чтобы перебросить электрон в зону проводимости, что может привести к резкому возрастанию электропроводности (~ 10⁶раз).

Следует отметить, что на месте электрона не образуется дырка, поскольку атомы примеси находятся достаточно далеко друг от друга. Однако, не скомпенсированный положительный заряд атома примеси притягивает электроны из зоны проводимости, однако время жизни электрона на примеси будет меньше чем время нахождения в зоне проводимости. Такие полупроводники называются полупроводниками —типа. Основными носителями в них являются электроны.

При добавлении в 4-х валентный (кремний) трехвалентного(бора) в близи потолка валентной зоны (на расстоянииэВ) появляются акцепторные локальные энергетические уровни. Это связанно с тем, что валентных связей электронов бора недостаточно, для образования комплексной связи с соседними атомами. При переходе электрона (за счет энергии теплового движения) из валентной зоны на акцепторные уровни на его месте образуется вакантное энергетическое состояние (дырка). Электроны, находящиеся на акцепторных уровнях, не участвуют в электропроводности. Такие полупроводники называются полупроводниками-типа, поскольку основными носителями являются дырки имеющие положительный заряд.

P-nпереход.

Основным элементом полупроводниковых устройств является электронно-дырочный переход (переход). Электронно-дырочный переход —область пространства, которой имеет место изменение типа проводимости от электронной к дырочной. В результате контакта двух полупроводников электроны из полупроводника—типа переходят в полупроводник—типа. Переход электронов возможен, поскольку в полупроводнике—типа в зоне проводимости имеются вакантные энергетические уровни, а концентрация электронов в этой зоне мала. Таким образом переход происходит вследствие явления диффузии. Аналогично дырки переходят в обратном направлении. Таким образом, область контакта, со стороны полупроводника—типа заряжается положительно, а со стороны—типа отрицательно. Таки образом, возникает контактное электрическое поле(и соответственно контактная разность потенциалов), которое препятствует переходу основных носителей (Рис.14.2). При этом, система энергетических уровней смещается. Если приложить к контакту электрическое поле направленное вдоль контактного поля (минус к, а плюс к: обратное включение), то переход основных носителей через

контакт тока еще более затруднится (ток неосновных носителей почти не изменится). Сопротивление перехода будет очень большим. Если приложить напряжение в противоположном направлении (прямое включение), то контактное поле уменьшится и через контакт пойдет большой ток основных носителей. С ростом приложенного напряжения экспоненциально нарастает число основных носителей способных преодолеть потенциальный барьер. Как только основные носители переходят потенциальный барьер они становятся неосновными и их концентрация по обе стороны перехода увеличивается. Это явление называется инжекцией неосновных носителей (инжекция–впрыскивание). Неосновные носители принимают участие в явлении электропроводности. Следует отметить, что в результате инжекции концентрация неосновных носителей оказывается больше равновесной. В этом случае у электронов в области имеются нижележащие вакантные энергетические уровни и происходит воссоединение электронов с дырками–рекомбинация, которая может сопровождаться излучением электромагнитных квантов. Излучение при рекомбинации используется в полупроводниковых лазерах и светодиодах.

Таким образом, –переход обладает односторонней проводимостью. Вольтамперная характеристика имеет вид показанный на Рис.14.4. Зависимость силы тока от напряжения описывается формулой

Из видно, что сила тока нелинейно зависит от приложенного напряжение: при изменении напряжения на противоположное сила тока изменяется в раз. Это означает, что такой переход можно использовать как вентильное устройство для выпрямления переменного тока. При подаче достаточно большого обратного напряжениянаступает явления электрического пробоя, при котором ток резко увеличивается.

Ток насыщения и контактная разность потенциаловсильно зависят от концентрации неосновных носителей. А концентрация неосновных носителей существенно зависит от различных внешних воздействий: тепловых, механических, оптических. Это свойство широко используется в различного рода полупроводниковых датчиках и устройствах. Устройства такого типа называются полупроводниковыми диодами. Например, зависимость сопротивления от оптического излучения используется для созданияфотодиодов и солнечных батарей. Возникновение электродвижущей силы под воздействием света получило название вентильного фотоэффекта. Одним из наиболее перспективных разработок в направлении солнечной энергетики является создание материалов из органических молекул, способных быть источниками тока.