Собственные и примесные полупроводники и их проводимость.

В природе полупроводники существуют в виде элементов (элементы IV, V и VI групп Периодической системы элементов Менделеева), например Si, Ge, As, Se, Те, и химических соединений, например оксиды, сульфиды, селениды, сплавы элементов различных групп. Различают собственные и примесные полупроводники. Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники, а их проводимость называется собственной проводимостью. Примером собственных полупроводников мо­гут служить химически чистые Ge, Se, а также многие химические соединения: InSb, GaAs, CdS и др.

При 0 К и отсутствии других внешних факторов собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики. При повышении же температуры электроны с верхних уровней валентной зоны I могут быть переброшены на нижние уровни зоны проводи­мости II (рис. 1). При наложении на кристалл электрического поля они перемещают­ся против поля и создают электрический ток. Таким образом, зона II из-за ее частичного «укомплектования» электронами становится зоной проводимости. Прово­димость собственных полупроводников, обусловленная электронами, называется элек­тронной проводимостью или проводимостью n -типа (от лат. negative — отрицательный).

В результате тепловых забросов электронов из зоны I в зону II в валентной зоне возникают вакантные состояния, получившие название дырок. Во внешнем электричес­ком поле на освободившееся от электрона место — дырку — может переместиться электрон с соседнего уровня, а дырка появится в том месте, откуда ушел электрон, и т. д. Такой процесс заполнения дырок электронами равносилен перемещению дырки в направлении, противоположном движению электрона, так, как если бы дырка об­ладала положительным зарядом, равным по величине заряду электрона. Проводи­мость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами — дырками, на­зывается дырочной проводимостью или проводимостью p- типа (от лат. positive — поло­жительный).

Рис. 1

Рис. 2

 

Если концентрации электронов проводимости и дырок обозначить соответственно п_e, и n_р, то

(1)

Проводимость полупроводников всегда является возбужденной, т. е. появляется только под действием внешних факторов (температуры, облучения, сильных электрических полей и т. д.).

В собственном полупроводнике уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны (рис. 2). Действительно, для переброса электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости затрачивается энергия активации, равная ширине запрещенной зоны D E. При появлении же электрона в зоне проводимости в валентной зоне обязательно возникает дырка. Следовательно, энергия, затраченная на образование пары носителей тока, должна делиться на две равные части. Так как энергия, соответствующая половине ширины запрещенной зоны, идет на переброс электрона и такая же энергия затрачивается на образование дырки, то начало отсчета для каждого из этих процессов должно находиться в середине запрещенной зоны. Энергия Ферми в собственном полупроводнике представляет собой энергию, от кото­рой происходит возбуждение электронов и дырок.

Вывод о расположении уровня Ферми в середине запрещенной зоны собственного полупро­водника может быть подтвержден математическими выкладками. В физике твердого тела до­казывается, что концентрация электронов в зоне проводимости

(2)

где E ₂ — энергия, соответствующая дну зоны проводимости (рис. 2), Е_F — энергия Ферми, Т — термодинамическая температура, С ₁ — постоянная, зависящая от температуры и эффектив­ной массы электрона проводимости. Эффективная масса — величина, имеющая размерность массы и характеризующая динамические свойства квазичастиц — электронов проводимости и ды­рок.

Концентрация дырок в валентной зоне

(3)

где С ₂ — постоянная, зависящая от температуры и эффективной массы дырки, Е ₁ — энергия, соответствующая верхней границе валентной зоны.

Для собствен­ного полупроводника п_e=n_p, то

Положив в (2) E–E_F» D E/ 2, получим

(4)

Количество электронов, переброшенных в зону проводимости, а следовательно, и ко­личество образовавшихся дырок пропорциональны á N(Е) ñ. Таким образом, удельная проводимость собственных полупроводников

(5)

где g ₀ — постоянная, характерная для данного полупроводника.

 

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

Рис. 1

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой — дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или p - n -переходом). Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов. p - n -Переход нельзя осущест­вить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области раз­личной проводимости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответ­ствующей обработке кристаллов.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в p - n -переходе. Пусть донорный полупроводник приводится в контакт с акцепторным полупроводником. Электроны из n -полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в p -полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении — в направлении р ® п.

В n -полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донорных атомов. В p -полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрица­тельный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов (рис. 1, а). Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой, поле которого, направленное от n -области к p -области, препятствует дальнейшему переходу электро­нов в направлении п ® р и дырок в направлении р ® п. Если концентрации доноров и акцепторов в полупроводниках n - и p -типа одинаковы, то толщины слоев d ₁ и d ₂ (рис. 1, в), в которых локализуются неподвижные заряды, равны (d ₁ =d ₂).

При определенной толщине p-n -перехода наступает равновесное состояние, харак­теризуемое выравниванием уровней Ферми для обоих полупроводников (рис. 1, в). В области p-n- перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возника­ют потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок. Высота потенциаль­ного барьера еj определяется первоначальной разностью положений уровня Ферми в обоих полупроводниках. Все энергетические уровни акцепторного полупроводника подняты относительно уровней донорного полупроводника на высоту, равную еj, причем подъем происходит на толщине двойного слоя d.

Толщина d слоя p-n -перехода в полупроводниках составляет примерно 10^–6—10^–7 м, а контактная разность потенциалов — десятые доли вольт. Носители тока способны преодолеть такую разность потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов, т. е. при обычных температурах равновесный контактный слой является запирающим (характеризуется повышенным сопротивлением).

Направление вне­шнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток через p-n -переход практически не проходит. Ток в запирающем спое в запирающем направлении образуется лишь за счет неосновных носителей тока (электронов в p- полупроводнике и дырок в n -полупроводнике).

Электрический ток проходит сквозь p-n -переход в направлении от p- полупроводника к n -полупроводнику; оно назы­вается пропускным (прямым) направлением.

Таким образом, p-n -переход (подобно на контакте металл — полупроводник) об­ладает односторонней (вентильной) проводимостью.

Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы)

Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с полупроводником) используется для выпрямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электронно-дырочный переход, то его действие аналогично дейст­вию двухэлектродной лампы—диода. Поэтому полупроводниковое устройство, содержащее один p-n -переход, называется полупроводниковым (кристаллическим) диодом. Полупроводниковые диоды по конструкции делятся на точечные и плоскостные.

Диоды обладают рядом преиму­ществ по сравнению с электронными лампами (малые габаритные размеры, высокие к.п.д. и срок службы, постоянная готовность к работе и т. д.), но они очень чувст­вительны к температуре, поэтому интервал их рабочих температур ограничен (от –70 до +120°С). p-n -Переходы обладают не только прекрасными выпрямляющими свойст­вами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести обратную связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили название полупроводниковых триодов или транзисторов.

Фотопроводимость полупроводников

Фотопроводимость полупроводников — увеличение электропроводности полу­проводников под действием электромагнитного излучения — может быть связана со свойствами как основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. В первом случае при поглощении фотонов, соответствующих собственной полосе поглощения полупроводника, т. е. когда энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны (hn ³ D E), могут совершаться перебросы электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 1, а), что приведет к появлению добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). В результате возникает собственная фотопроводимость, обусловленная как электронами, так и дырками.

Рис. 1

Если полупроводник содержит примеси, то фотопроводимость может возникать и при hn < D E: для полупроводников с донорной примесью фотон должен обладать энергией hn ³ D Е_D, а для полупроводников с акцепторной примесью — hn ³ D Е_A. При поглощении света примесными центрами происходит переход электронов с донорных уровней в зону проводимости в случае полупроводника n -типа (рис. 1, б) или из валентной зоны на акцепторные уровни в случае полупроводника p -типа (рис. 1, в). В результате возникает примесная фотопроводимость, являющаяся чисто электронной для полупроводников п -типа и чисто дырочной для полупроводников p -типа.

 

Таким образом, если

(1)

Можноопределить красную границу фотопроводимости — максимальную длину волны, при которой еще фотопроводимость возбуждается:

Люминесценция твердых тел

Люминесценция — неравновесное излучение, избыточное при данной температуре над тепловым излучением тела и имеющее длительность, большую периода световых колебаний.

В зависимости от способов возбуждения различают: фотолюминесценцию (под действием света), рентгенолюминесценцию (под действием рентгеновского излучения), катодолюминесценцию (под действием электронов), электролюминесценцию (под дейст­вием электрического поля), радиолюминесценцию (при возбуждении ядерным излучени­ем, например g-излучением, нейтронами, протонами), хемилюминесценцию (при хи­мических превращениях), триболюминесценцию (при растирании и раскалывании неко­торых кристаллов, например сахара). По длительности свечения условно различают: флуоресценцию (t £10^–8с)и фосфоресценцию — свечение, продолжающееся заметный промежуток времени после прекращения возбуждения.

Основной энергетической характеристикой люминесценции является энергетический выход, введенный С. И. Вавиловым в 1924 г., — отношение энергии, излученной люминофором при полном высвечивании, к энергии, поглощенной им.

Твердые тела, представляющие собой эффективно люминесцирующие искусственно приготовленные кристаллы с чужеродными примесями, получили название кристаллофосфоров.

Явление люминесценции получило широкое применение в практике, например люминесцентный анализ — метод определения состава вещества по характерному его свечению. Этот метод, являясь весьма чувствительным (примерно 10^–10 г / см³), позво­ляет обнаруживать наличие ничтожных примесей и применяется при тончайших ис­следованиях в биологии, медицине, пищевой промышленностии т. д. Люминесцентная дефектоскопия позволяет обнаружить тончайшие трещины на поверхности деталей машин и других изделий (исследуемая поверхность покрывается для этого люминес­центным раствором, который после удаления остается в трещинах).

 

⇐ Предыдущая123456

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: