13. Характеристика полупроводников

Полупроводники – наиболее распространенная в природе группа веществ.К ним относят химические элементы: бор (В), углерод (С), кремний (Si), фосфор (Р), сера (S), германий (Ge), мышьяк (As), селен (Se), олово (Sn), сурьма (Sb), теллур (Те), йод (I); химические соединения типа АI ВVII, АIII ВV, АIV ВIV, AI BVI, AII BVI (GaAs, GeSi, CuO, PbS, InSb и другие);

Зонная структура полупроводников 

Вещества, в которых при температуре абсолютного нуля верхняя из заполняемых электронами энергетических зон (валентная зона) и нижняя из незаполняемых энергетических зон (зона проводимости) не перекрываются, составляют классы полупроводников и диэлектриков.

14. Примесные полупроводники

Полупроводники, кристаллическая решетка которых помимо четырехвалентных атомов содержит атомы с валентностью, отличающейся от валентности основных атомов, называют примесными.

В электронном полупроводнике из-за наличия пятивалентных примесных атомов в пределах запрещенной зоны вблизи дна зоны проводимости появляются примесные уровни Ed.

В дырочном полупроводнике за счет введения трехвалентных примесных атомов в пределах запрещенной зоны появляется примесный уровень Ea , который заполняется электронами, переходящими на него из валентной зоны. Примесные атомы называют акцепторами.

15. Концентрация носителей заряда в примесных полупроводниках.

16. Примесные полупроводники

Концентрация равновесных носителей заряда зависит от положения уровня Ферми. В электронном полупроводнике концентрация электронов в основном обусловлена переходом электронов с энергетических уровней εd на энергетические уровни зоны проводимости. Поэтому концентрация nn должна быть равна концентрации ионизированных доноров:

Таким образом, при любой концентрации примесей произведение концентраций электронов и дырок остается постоянной величиной.

В

дырочном полупроводнике концентрация дырок в основном обусловлена переходом электронов с энергетических уровней валентной зоны на энергетический уровень акцепторов. Поэтому концентрация дырок должна быть равна концентрации ионизированных примесей, то ест

17. В электрическом поле Е на носители заряда с эффективной массой m∗ действует сила F=q⋅E, которая сообщает ему ускорение a= F/m∗ = qE/m∗. За время движения без столкновений с ионами решетки или дефектами носитель заряда приобретает скорость:

где τ – время свободного пробега электронов или дырок, µ – подвижность носителей, определяемая как скорость в единичном электрическом поле.

Направленное движение носителей в приложенном электрическом поле представляет собой электрический ток, также называемый дрейфовым током. Учитывая то, что перемещаются как электроны, так и дырки, плотность дрейфового тока можно представить в виде:

где σ = q( + ) – удельная электропроводность полупроводника.

Плотность тока будет пропорциональна градиенту концентрации подвижных носителей (dn/dx или dp/dx); соответственно плотность диффузионного тока для электронов может быть представлена как:

а плотность диффузионного тока дырок вследствие изменения знака заряда носителей запишется как:

где и – коэффициенты диффузии соответственно для электронов и дырок.

К

оэффициенты диффузии, подобно подвижностям µ, характеризующим дрейфовое движение, отражают способность электронов и дырок к перемещению. Связь между коэффициентами диффузии и подвижностями определяется соотношением Эйнштейна:

Температурные зависимости подвижности электронов ( , сплошные линии) и дырок ( , пунктирные линии) в Si. Параметр - концентрация электронов (Nd) и дырок (Na).