 |
Носители зарядов примесных металлов.
|
|
|
|
Электрические св-ва полупроводников.
Вещ-ва делятся на 2 группы: проводники и изоляторы. Существуют промежуточные вещ-ва, они проводят ток достаточно слабее, чем проводники; сначала их отнесли к группе п/п. П/п имеют родственные отношения с диэлектриками. Они отличаются от проводников:
1) разный хар-р зависимости проводимости от Т.
2) сильное влияние на проводимость ничтожного кол-ва примесей
3) чувствительность к различным видам излучения
Внешние е (не активные) называют валентными. Дрейфом в электротехники называют электрический ток, от + к -, перенос тока в Ме осуществ. валентными е. При отсутствии напряжения или эл. поля эти е могут перемещаться свободно, при этом эл. ток отсутствует. При напряжении или эл. поле, е в Ме может иметь траекторию, т.е их движение приобретает упорядочный хар-р.
Носители зарядов беспримесных металлов.
В атомах Ge и Si внешние эл. оболочки образуются 4-мя электронами. В их структуре каждый из е образует с соседним атомом ковалентную связь. Такая пара жестко связана и не может свободно перемещаться в п/п-ке. Все валентные е в идеальном п/п входят в ковалентные связи, т.е. не должны быть свободных носителе зарядов.
При повышении Т атомы, кот. находились при 0 в неподвижном состоянии начинают совершать тепловые колебательные движения. При колебании кристалл. решетки выделяются тепловые кванты – фононы. Перемещение носит тепловой хар-р. Энергия фононов передается е и для некоторых е достаточно, чтобы они отрывались от своих атомов. Энергия фонона способствует перемещению е в объеме п/п, т.о. в п/п появляется носитель тока. Нарушение ковал. связи приводит к образованию своб. е и приводит к появлению дырочной электронной паре. Термогенерация – процесс образования таких пар.
|
|
|
Незаполненная связь быстро заполняется одним из валентных е, а на месте этого е образуется новая дырка. Таким образом дырка совершает движение в течении некоторого времени, а затем рекомбинируют с одним из е, дырка имеет + заряд.
Вывод: кол-во е и дырок, кот. явл. свободными носителями тока в чистом п/п во много раз меньше, чем в металлах, поэтому проводимость в металлах значительно выше. Свободные носители заряда в чистом п/п при любой Т появляются только в рез-те появлении энергии из вне (виды энергия: фононы, световая энергия, энергия рентгеновских лучей).
Энергетическая диаграмма.
В соответствии с принципом механики е могут обладать квантовой энергией.
ΔWз – запрещенная зона.
В п/п запрещенная зона отделяет зону проводимости и валентную зону. ΔWз имеет размерность (электрон вольт) – энергия, кот. нужно сообщить е чтобы перевести его в зону проводимости. В п/п ΔWз<= 3 эВ, в диэлектриках 3эВ < ΔWз <=10эВ. Если нагреть диэлектрик до Т 600-700, то его проводимость мала, если на него воздействовать сильным эл. полем, то его проводимость может существенно подрасти.
При Т выше 0, в рез-те терморегуляции в п/п создается некоторое собственная концентрация носителей:
А – коэф. завис. от роды кристалла
К – постоянная Больцмана = 1,27*10^-23 Дж/К
Т – абсолютная тем-ра в К
Рi – электрическая проводимость.
Концентрация носителей зарядов в п/п и его эл. проводимость увел. с повышении Т и уменьшается с ростом ширины запрещающей зоны.
Носители зарядов примесных металлов.
Если ввести в чистый п/п примесь, то может быть создан проводник либо с дырочной, либо с электронной проводимостью. Примесь предназначена для увеличения проводимости. Различают п/п: р-типа (дырочные) и n – типа(электронные).
n – типа(электронные)
Для получения такого проводника в него вносят примесь, которая создает в кристалле проводника только свободные е. Вводимую примесь называют донорной. Для Ge и Si донорные примеси 5 группы, такие как сурьма Sb или фосфор P.
|
|
|
Атомы примеси замещают атомы п/п. 4 атома е участвуют в ковалентных связях, а 5 избыточный е, слабее связан со своим атомом. Тогда энергии фонона оказывается достаточной, чтобы избыточный е был свободным, то атом примеси превращается в положительный ион, т.е произойдет ионизация атомов примеси.
Энерг. диаграмма введенной примеси выглядит:
ΔWд – энергия донорной примеси от-но небольшой по сравнению с шириной запрещенной зоны. И в зависимости от типа проводника наход в зоне 0,01….0,07 эВ – энергия активации или ионизации. При 0 Т ионизация не имеет места. Все е, кот. наход. на донорном уровне участвуют в создании тока. Вывод: в примесных п/п концентрация е в зоне проводимости опред. преимущественно концентрацией введенной примеси, а не собственными е валентной зоны. Концентрация е в n – типа существенно вышеконцентрации дырокв рез-те перехода в зону проводимости.
Ток в основном создается е в проводниках n – типа, е- основные носители заряда, дырки неосновные носители.
р-типа введение примеси направлено на увеличение концентрации дырок, для этого использ. элементы 3 группы: алюминий, бор, галлий. При введении такой примеси каждый атом образует только 3 заполнен. ковал. связи. 4 связь остается незаполненной.
Недостающий валентный е может перейти от 1 атома соседней кристалл. решетки, но переход е приводит к образованию дырки соседнего атома и превращает атом примеси в отрицательный неподвижный ион. Атомы примеси принимающ. е – акцепторные, а примесь – акцепторная. За счет этой примеси увел. кол-во дырок в п/п. Пока число дырок = числу отриц. ионов, то заряд нейтрален. Дырки – основные носители заряда, е – не основные носители.
В примесных п/п концентрация основных носителей создается за счет внесении примеси, а не основных – за счет термогенерация, которая связана с переходом е из валентной зоны в зону проводимости. Необходимо примесь вносить в таком кол-ве, при котором концентрация основных носителей на 2-3 порядка превышала концентрации неосновных. Удельная проводимость примесного п/п выше по сравнению с чистым в 10 и 100 раз. Произведение концент. основных и неосновных зарядов при данной Т явл. постоянной величиной.
|
|
|
Если повышать Т примесного п/п может оказаться, что эл.проводимость будет опред. не концентрацией внесен. примеси, а концентрацией собств. носителей зарядов.
|
|
|
