Вопрос 2.14. Собственная проводимость полупроводников.

По своей электропроводимости между проводниками и диэлектриками находятся полупроводники к ним относятся некоторые элементы из IV,V групп периодической системы.

Si, Ge, Te, и т.д., оксиды металлов сульфиды, селениды ряд сплавов и многие органические вещества.

Проводник из химически чистых полупроводников называется собственной проводимостью. А также полупроводники с собственным полупроводниками. К ним относятся: Si, Ge, Sc, In, Sb, Ga, As, Cd S.

Проводимость собственных полупроводников рассмотрим на примере элемента 4-ой группы германия.

У элементов 4-ой группы все 4 валентных электрона участвуют в образовании парных электронных (ковалентных связей) с соседними атомами.

<-Черточки на рисунке показывают парные электронные связи.

В результате каждый валентный электрон оказывается связанным с определенными атомами, поэтому при низких температурах полупроводник не проводит электрический ток и является изолятором. При наличии внешнего электрического поля некоторые валентные электроны отрываются от своих связей и становятся свободными. На месте оторвавшегося электрона образуется место с нарушенной связью – «дельта». Оторвавшиеся электроны ускоряются под действием электрического поля и приобретают скорость направленного движения. Вместо дырки можно занять связанный электрон у соседнего атома. На прежнем месте дыра ликвидируется, зато возникает на новом месте. Дырки перемещаются в направлении электрического поля как положительные заряды. Перемещение дырок также способствует направленному переносу зарядов по проводнику. В результате электрический ток в полупроводниках является направленным движением, как оторвавшихся электронов, так и дырок. В электрическом отношении отрыв связанных электронов соответствует переходу электрона и валентной зоны в зону проводимости.

В валентной зоне образуется свободные электрические уровни-дырки. Электронные перемещением зону проводимости могут подниматься на более высокие энергетические уровни в зону проводимости, т.к. эти уровни свободы (скорость направленным движением). На появившемся свободном уровне валентной зоне могут перейти электроны из более низких уровне из той же зоны.

С увеличением температуре количество свободных электронов, а также дырок увеличивается, поэтому электропроводимость полупроводников увеличивается с ростом температуры: График зависимости удельной теплопроводности от температуры.

-удельная теплопроводность при нуле градусов Цельсия.

K – постоянная Больцмана.

Вопрос. 2.15 Примесная проводимость полупроводников.

Наличие примеси посторонних элементов сильно увеличивают теплопроводность. Например если кристаллическая решетка кремния в некоторых примесях присутствует 0,01% Р(фосфора), то это приводит к увеличению электропроводимости более чем в 100 000 раз. Электропроводимость связанная с наличием примеси называется примесной проводимости полупроводников. В качестве примеси могли быть как атомы посторонних элементов так и дефекты кристаллической решетки. Пуст в кристаллической решетке Ge некоторые атомы замещены атомами мышьяка, элемента из 5ой группы. 4 валентных электрона As(мышьяка). Образуют ковалентные связи с соседними атомами Германия. Пятый электрон оказывается несвязанными и он легко может перемещаться по кристаллической решетке, при этом дырка не образуется так как связь не разрушается. В энергетическом отношении наличие примеси мышьяка приводит к возникновению в запретной зоне дополнительных диэлектрических уровней.

Примеси, приводящие к возникновению свободных электронов называются донорными примесями. В этом случае проводимость обусловлена перемещением несвязанных электронов. Такая проводимость называется n-проводимостью. Полупроводники такого типа называются n-полупроводниками.

Донорные уровни располагаются под зоной проводимости на расстоянии ∆W_D=0,013 эВ в случае германия и мышьяка.

При наличии электрического поля электроны из дочерних уровней легко переходят в зону проводимости.

Пусть в кристаллической решетке одни из атомов замещаются атомом бора элемента из третьей группы.

Для образования полноценных ковалентных связей с соседними атомами кремния у бора не хватает 1ого электрона. В результате возникает дырка.

Примеси, приводящие к образованию дырок называются акцепторными примесями. В этом случае проводимость обусловлена движением дырок. Такая проводимость называется р-проводимостью. Полупроводники такого типа называются р-полупроводниками. Наличие акцепторных примесей приводит к возникновению в запретной зоне свободных акцепторных уровней. Эти уровни располагаются над валентной зоной на расстоянии ∆W_A=0,08 эв В случае с кремнием и бором.

За счет внешнего электрического поля некоторые электроны из валентной зоны могут перейти на акцепторные уровни, при этом в валентной зоне образуются дырки.

Электроны n-ПП и дыры р-ПП называются основными носителями электричества их концентрация зависит от концентрации примеси.

С ростом температуры как и у чистых ПП могут оторваться связанные электроны, образуя свободные электроны и дырки. Последние называются не основными носителями электричества. Концентрация не основных носителей увеличивается с ростом температуры.