Что такое собственная проводимость: Собственная проводимость — Физическая энциклопедия

Содержание

Собственная проводимость полупроводников | Формулы и расчеты онлайн

Важнейшими полупроводниковыми материалами являются германий и кремний.
Атомы этих элементов имеют по 4 электрона во внешней электронной оболочке,
которые образуют валентную связь с электронами соседних атомов.

Собственная проводимость полупроводников — Германий

При подведении энергии (теплоты или света) межатомные связи в решетке теряют электроны,
при этом образуется положительный заряд.
То место, где в решетке не хватает электрона, называют дыркой.
Под действием напряжения электроны дрейфуют к положительному полюсу.
Дырки движутся к отрицательному полюсу,
причем их место занимают свободные электроны.

Собственная проводимость полупроводников — Германий — — Электроны и дырки

B чистом полупроводнике, проводимость которого обусловлена тепловым возбуждением,
одинаковое число электронов и дырок движется в противоположных направлениях.
Проводимость возрастает при повышении температуры. {-\frac{∆W}{kT}} \]

Произведение концентраций электронов и дырок при заданной температуре постоянно.

Собственная проводимость полупроводников
стр. 709

Собственная и примесная проводимость полупроводников

Определение 1

В полупроводниках основная зона разделена с зоной возбужденных уровней конечным интервалом энергий ∆E. У проводника она получила название валентной, а зона возбужденный состояний – зоной проводимости.

Если T=0 К, то валентная зона заполняется целиком. В этом случае, зона проводимости свободна. Отсюда следует, что вблизи абсолютного нуля полупроводники не способны проводить ток. Отличие диэлектриков и полупроводников состоит в ширине запрещенной зоны ∆E. Диэлектриками считают полупроводники при ∆E>2 эВ.

Собственная и примесная проводимость полупроводников

Примечание 1

Если температура увеличивается, электроны начинают производить обмен энергии с ионами кристаллической решетки. Это может стать причиной обретения добавочной кинетической энергии ≈kT. Ее количества достаточно для перевода некоторой части электронов в зону проводимости. Там они способны проводить ток.

Определение 2

В валентной зоне освобождаются квантовые состояния, которые электронами не заняты. Эти состояния называют дырками. Они являются носителями тока.

Электроны способны совершать квантовые переходы в незаполненные состояния. Заполненные состояния в этом случае освобождаются, то есть становятся дырками. В результате чего можно наблюдать появление равновесной концентрации дырок.

При отсутствии внешнего поля ее значение одинаковое по всему объему проводника. Квантовый переход сопровождается его перемещением против поля. Он способен уменьшить значение потенциальной энергии системы. Переход, который связан с перемещением в направлении поля, способен увеличить потенциальную энергию системы. При наличии преобладания количества переходов против поля над переходами по полю через полупроводник начнет протекать ток по движению приложенного электрического поля. Незамкнутый полупроводник характеризуется течением тока до тех пор, пока электрическое поле не будет компенсировать внешнее. Конечный результат такой же, как если бы в качестве носителей тока были не электроны, а положительно заряженные дырки. Отсюда следует, что различают два вида проводимости полупроводников: электронная и дырочная.

Носителя тока в металлах и полупроводниках считаются электроны, а дырки введены формально. Дырки в качестве положительно заряженных частиц не существует. Но перемещение в электрическом поле такое же, как и при классическом рассмотрении положительно заряженных частиц. Небольшая концентрация электронов в зоне проводимости и дырки в валентной зоне позволяют применять классическую статистику Больцмана.

Примечание 2

Дырочная и электронная проводимости не связаны с наличием примесей. Ее называют собственной электропроводностью полупроводников.

Если имеется идеально чистый проводник без примесей, то каждому освобожденному электрону при помощи теплового движения или света соответствовало бы образование одной дырки, иначе говоря, количество электронов и дырок, участвующих в создании тока, было бы одинаковое.

Существование идеально чистых полупроводников невозможно, поэтому при необходимости их создают искусственным путем. Даже наличие малого количества примесей способно повлиять на изменение свойств полупроводника.

Слишком сложно?

Не парься, мы поможем разобраться и подарим скидку 10% на любую работу

Опиши задание

Примесная проводимость полупроводников

Определение 3

Электропроводность полупроводников, вызванная наличием примесей атомов других химических элементов, называют примесной электрической проводимостью.

Небольшое их количество способно существенно влиять на увеличение проводимости. В металлах происходит обратное явление. Примеси способствуют уменьшению проводимости металлов.

Увеличение проводимости с примесями объясняется тем, что происходит появление дополнительных энергетических уровней в полупроводниках, находящихся в запрещенной зоне полупроводника.

Донорные и акцепторные примеси

Пусть дополнительные уровни в запрещенной зоне появляются около нижнего края зоны проводимости. Если интервал, отделяющий дополнительные уровни энергии от зоны проводимости, мал при сравнении с шириной запрещенной зоны, то произойдет увеличение числа электронов в зоне проводимости, значит, сама проводимость полупроводника возрастет.

Определение 4

Примеси, которые перемещают электроны в зону проводимости, называют донорами или донорными примесями. Дополнительные энергоуровни получили название донорных уровней.

Определение 5

Полупроводники с донорными примесями – это электронные или полупроводники n-типа.

Определение 6

Пусть с введением примеси возникают добавочные уровни около верхнего края валентной зоны. В этом случае электроны из этой зоны переходят на добавочные уровни. Валентная зона характеризуется появлением дырок, так как появляется дырочная электропроводность проводника. Примеси такого рода получили название акцепторных. Дополнительные уровни, располагаемые в них, называют акцепторными.

Определение 7

Полупроводники с акцепторными примесями получили название дырочных или полупроводников p-типа. Имеют место на существование смешанные полупроводники.

Вид проводимости, которым обладает полупроводник, определяют по знаку эффекта Холла.

Определение 8

Легирование – это процесс введение примесей. Если примесный уровень обладает высокой концентрацией, то происходит их расщепление. Перекрытие границ соответствующих энергетических зон считается результатом процесса.

Пример 1

Объяснить, к какому типу примеси относят атомы мышьяка, бора, находящихся в кристаллической решетке кремния.

Решение

Кремний является четырехвалентным атомом, значит, атом содержит 4 электрона. Мышьяк пятивалентен, то есть содержит 5, причем пятый из которых отщепляется по причине наличия теплового движения. Положительный ион мышьяка вытесняет из решетки один из атомов кремния и встает на его место. Происходит возникновение электрона проводимости между узлами решетки. Отсюда следует, что мышьяк считается донорной примесью для кремния.

При рассмотрении бора в качестве примеси для кремния видно, что атом бора имеет наружную оболочку, состоящую из трех электронов. Атом бора захватывает четвертый электрон из соседнего места, находящегося в кристалле кремния. Именно там происходит появление дырки. Отрицательный ион бора, появившийся в ней, вытесняет атом кремния из кристаллической решетки и занимает его место. Говорят о возникновении в нем дырочной проводимости. Бор считается акцепторной примесью.

Ответ: мышьяк – донорная примесь, бор – акцепторная.

Пример 2

Даны термоэлементы с протеканием тока от металла к полупроводнику и наоборот. Объяснить, почему это происходит.

Решение

По условию, электронная и дырочная проводимость проходит в горячем спае. Это объясняется тем, что на конце электронного полупроводника с высокой температурой скорость электронов намного больше, чем в холодном. Отсюда следует, что электроны имеют возможность проходить от горячего конца к холодному до возникновения по причине перераспределения зарядов электрического поля и не останавливать поток диффундирующих электронов.

Только после установления равновесного состояния горячему концу, который потерял все электроны, соответствуют положительные заряды, а холодному – отрицательные. Можно сделать вывод, что имеется разность потенциалов между горячим и холодным концами с положительным знаком.

Дырочный полупроводник характеризуется обратным процессом. Диффузия идет от горячего конца к холодному, причем первый из них обладает отрицательным зарядом, а холодный – положительным. Получаем, что разности потенциалов имеют отрицательное значение, в отличие от электронного полупроводника.

Т. Собственная проводимость — PhysBook

Собственная электрическая проводимость полупроводников и ее зависимость от температуры и освещенности

Для понимания механизма электрической проводимости в полупроводниках рассмотрим строение полупроводниковых кристаллов и природу связей, удерживающих атомы кристалла друг возле друга.
Кристаллы германия и других полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку. Плоская схема структуры германия показана на рисунке 1.

Рис. 1

Германий — четырехвалентный элемент, во внешней оболочке атома есть четыре электрона, слабее связанных с ядром, чем остальные. Число ближайших соседей

каждого атома германия также равно 4. Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется посредством парноэлектронной — ковалентной связи.

В ее образовании участвует по одному электрону от каждого атома. Эти ковалентные связи при низких температурах достаточно прочны, и свободных электронов в кристалле почти нет. Поэтому полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток. Участвующие в связи валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле почти не влияет на их движение.

Электропроводимость химически чистого полупроводника возможна в том случае, когда ковалентные связи в кристаллах разрываются и появляются свободные электроны. Например, нагревание даже до небольших температур приводит к разрыву ковалентных связей, появлению свободных электронов и возникновению собственной электронной проводимости чистого полупроводника (проводимости n-типа). После ухода электрона со своего места в этой области кристалла нарушилась его нейтральность. В том месте, откуда ушел электрон, возникает избыточный положительный заряд — образуется положительная «дырка» (рис. 1). Она обладает положительным зарядом, равным по модулю заряду электрона. На освободившееся от электрона вакантное место — дырку — может перескочить другой электрон, а это эквивалентно перемещению дырки в направлении, противоположном направлению движения электрона. В отсутствие внешнего электрического поля эти свободные электроны и дырки движутся в кристалле полупроводника хаотически.

Во внешнем электрическом поле электроны перемещаются в сторону, противоположную направлению напряженности электрического поля. Положительные дырки перемещаются в направлении напряженности электрического поля (рис. 2). Процесс перемещения электронов и дырок во внешнем поле происходит по всему объему полупроводника.

Рис. 2

Электропроводность чистого полупроводника, обусловленная упорядоченным перемещением дырок, называется собственной дырочной проводимостью (проводимость p-типа). Общая удельная электропроводность полупроводника складывается из проводимостей n-типа и p-типа. При этом у чистых полупроводников число электронов проводимости всегда равно числу дырок.

Дополнительная энергия, которая должна быть затрачена, чтобы разорвать парноэлектронную связь и сделать электрон свободным, называется энергией активации. Получить эту энергию электроны могут при нагревании кристалла, при облучении его высокочастотными электромагнитными волнами и т.д.

С повышением температуры возрастает число разрывов ковалентных связей и увеличивается количество свободных электронов и дырок в кристаллах чистых полупроводников, а следовательно, возрастает удельная электропроводность и уменьшается удельное сопротивление чистых полупроводников. График зависимости удельного сопротивления чистого полупроводника от температуры приведен на рис. 3.

Рис. 3

Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и, как следствие, возникновение собственной проводимости полупроводников и уменьшение удельного сопротивления могут быть вызваны освещением (фотопроводимость полупроводника), а также действием сильных электрических полей.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 300-302.

Собственная проводимость полупроводников — Энциклопедия по машиностроению XXL







Собственная проводимость полупроводников. Обычно к полупроводникам относят кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5—2 эВ. Кристаллы с большими значениями энергии связи относятся к диэлектрикам.  [c.154]

В идеальном полупроводниковом кристалле электрический ток создается движением равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Такой тип проводимости называется собственной проводимостью полупроводника.  [c.155]










Собственная проводимость полупроводников 154 Сопротивление электрическое 148  [c. 364]

СОБСТВЕННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ  [c.242]

Полупроводники высокой степени очистки в области не слишком низких температур обладают электрической проводимостью, обусловленной наличием в них собственных носителей заряда — электронов и дырок. Эту проводимость называют собственной проводимостью полупроводников.  [c.190]

Область d соответствует собственной проводимости полупроводника. В этой области концентрация носителей заряда при достаточно высоких температурах практически равна концентрации собственных носителей. Поэтому проводимость полупроводника в этой области  [c.193]

Примеси резко изменяют собственную проводимость полупроводника. Потенциал ионизации у примесей меньше, чем у полупроводников, поэтому уже при 20 — 25 °С практически все атомы примесей ионизированы. Благодаря этому концентрация примесных носителей электрического тока обычно выше концентрации собственных носителей. При содержании  [c. 587]

Примеси исключительно сильно изменяют электрические свойства полупроводников. Входя в решетку полупроводника, атомы примесей легко ионизируются, либо отдавая в решетку полупроводника электроны, которые становятся носителями электрического тока, либо присоединяя к себе электроны атомов полупроводника, вследствие чего в решетке полупроводника создаются положительно заряженные области — дырки , которые становятся носителями электрического тока, подобно электронам. Примеси образуют примесную проводимость в полупроводнике, которую называют так в отличие от собственной проводимости полупроводника, создаваемой собственными носителями тока вследствие ионизации собственных атомов полупроводника.  [c.483]

Хотя повышение температуры вызывает весьма значительное падение электросопротивления, значение этого свойства у полупроводников остается несравненно более высоким, чем у металлов. Так, если у меди при 700° С электросопротивление равно 67 нОм-м, то у кремния и германия оно составляет около 10- Ом-м (см. табл. 2), хотя у этих элементов электросопротивление снижается по сравнению со значениями при комнатной температуре в 10 —10 раз. Собственная проводимость полупроводников увеличивается не только под действием нагрева. Облучение светом также повышает энергию валентных электронов, часть их переходит в зону проводимости, и электрическое сопротивление полупроводника существенно снижается.  [c.18]










Кроме нагревания, разрыв ковалентной связи и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением фотопроводимость полупроводников), а также действием сильных электрических полей.  [c.245]

Таким образом, изменение удельного сопротивления полупроводника с собственной проводимостью в зависимости от температуры дается выражением  [c.197]

Температурная зависимость удельного сопротивления полупроводника, в который добавлено небольшое количество примеси, показана на рис. 5.7 [12]. На практике в полупроводнике всегда присутствуют как донорные, так и акцепторные примеси, и разработчик полупроводниковых термометров сопротивления может лишь выбирать соотношение между теми и другими. Для описания процессов проводимости рассмотрим германий, содержащий донорные атомы мышьяка в концентрации N(1 и какие-либо акцепторные атомы в концентрации Л а-На рис. 5.7 можно выделить четыре температурных диапазона, в каждом из которых преобладает какой-либо один механизм проводимости». В высокотемпературном диапазоне [I] проводимость обусловлена главным образом электронами, термически возбужденными из валентной зоны в зону проводимости согласно уравнению (5.8), поскольку все примесные атомы давно уже ионизованы. Это область собственной проводимости для германия она начинается чуть выше 400 К. Этот диапазон не представляет особого интереса для германиевых термометров сопротивления.  [c.198]

Если к р — п-переходу приложено напряжение знаком плюс на область с электронной проводимостью, то электроны в п-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике удаляются внешним полем от запирающего слоя в разные стороны, увеличивая его толщину. Сопротивление р — п-перехода велико, сила тока мала и практически не зависит от напряжения. Этот способ включения диода называется включением в запирающем или в обратном направлении. Обратный ток полупроводникового диода обусловлен собственной проводимостью полупроводниковых материалов, из которых изготовлен диод, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в р-полупроводнике и дырок в п-полупроводнике.  [c.159]

Ясно, что увеличение температуры приводит в конце концов к тому, что все электроны с донорных уровней, переходят в зону проводимости, а дальнейший рост Т вызывает соответствующее увеличение концентрации собственных носителей. До тех пор, пока собственной проводимостью можно пренебречь, для электропроводности электронного полупроводника можно написать  [c.251]

Опыт показывает, что с увеличением концентрации доноров (или акцепторов) наклон прямых 1па от 1/Т в области примесной проводимости уменьшается. Согласно (7. 168) это значит, что уменьшается энергия ионизации примеси. При некоторой критической концентрации она обраш,ается в нуль. Для элементов пятой группы в германии эта критическая концентрация составляет ЗХ Х10 см , в кремнии 8-10 см . Полупроводник, в котором энергия ионизации примеси обратилась в нуль, называют часто полуметаллом. В нем концентрация электронов и электропроводность нечувствительны к температуре (кроме области температур, где начинается собственная проводимость).  [c.254]

В отличие от металлов полупроводники имеют довольно сложный спектр оптического поглощения. В металле фотоны поглощаются электронами проводимости, совершающими переходы внутри энергетической зоны. Поэтому спектр поглощения металла непрерывен металлы поглощают излучение любой частоты. В полупроводниках фотоны могут поглощаться электронами валентной зоны (с последующим переходом в зону проводимости или на примесные уровни, находящиеся внутри запрещенной зоны), электронами на примесных уровнях (с переходом в зону проводимости или на другие примесные уровни), электронами проводимости (с последующими внутризонными переходами). Переходам электронов из валентной зоны в зону проводимости отвечает так называемая полоса собственного поглощения полупроводника она характеризуется наиболее высоким коэ-ф-фициентом поглощения. Частота о) р, соответствующая  [c.164]

Концентрации носителей Па и ра называют равновесными они устанавливаются при наличии термодинамического равновесия. В таком полупроводнике скорость тепловой генерации носителей заряда (генерации за счет теплового возбуждения) равна скорости их рекомбинации. Поэтому По и ро остаются постоянными при неизменной температуре. В собственном беспримесном полупроводнике Па=Ро, носители генерируются и рекомбинируют парами. В примесных полупроводниках с донорными примесями (п-полупроводниках) По>ро, а в полупроводниках с акцепторными примесями (р-полупроводниках) п рекомбинации носителей. Определяемая выражением (7.3.1) проводимость Оо называется равновесной. Она обусловливает электрический ток, возникающий в неосвещенном полупроводнике при приложении к нему раз-и сти потенциалов (так называемый темповой ток).[c.174]

Даже для полупроводника, в котором гПп тпр, сочетание таких факторов, как высокая температура и малая ширина запрещенной зоны, означает, что уровень Ферми в области собственной проводимости отделен от каждой зоны (валентной и зоны проводимости) энергетическим интервалом, соизмеримым с коТ. Но это делает незаконной замену функции распределения Ферми—Дирака простой экспонентой, как это было выполнено при получении формул (3.35) и (3.37). Если к тому же (для примера) тр >тп, то уровень Ферми отдаляется от зоны с тяжелыми носителями заряда (т. е. в этой зоне вырождение отсутствует), но зато приближается к зоне с легкими носителями заряда или даже попадает внутрь зоны, что приводит к возникновению в ней сильного вырождения.  [c.115]

В случае собственной проводимости выражение для термо-эдс полупроводника имеет следующий вид  [c.142]

График распределения плотности состояний собственного кристаллического полупроводника показан на рис. 4, а. В зоне проводимости и в валентной зоне такого полупроводника плотность состояний велика, а в запрещенной зоне — равна нулю. В запрещенной зоне электронного (рис. 4, б) и дырочного (рис. 4, в) кристаллических полупроводников появляется пик (заштрихован), соответствующий донорным или акцепторным уровням  [c.9]

Электрическая проводимость полупроводников, основанная на перемещении части электронов основной зоны в зону возбужденных уровней, может быть, если под действием внешних или внутренних факторов энергетический разрыв между зонами будет преодолен. К числу таких факторов относятся повышение температуры полупроводника и введение в его состав различных примесей. Проводимость химически чистых полупроводников называется собственной проводимостью, а сами полупроводники — собственными полупроводниками. Примером та-  [c.281]

При дальнейшем повышении температуры наступает истощение примеси — полная ее ионизация. Собственная же электропроводность заметно еще не проявляется. В этих условиях концентрация свободных носителей практически от температуры не зависит и температурная зависимость удельной проводимости полупроводника  [c.273]

Из (6.19) видно, что температура перехода к собственной проводимости тем выше, чем шире запрещенная зона Е и больше концентрация примеси в полупроводнике Для германия при Л д = = 10 см температура Tt 580 К.  [c.166]

Область II начинается с момента, когда уровень Ферми приближается к уровням ловушек. Дальнейшее повышение температуры здесь приводит к непрерывному понижению уровня Ферми и выключению из работы все большего числа ловушек. Поэтому скорость рекомбинации носителей уменьшается, а время жизни возрастает. Максимального значения т достигает при температуре перехода полупроводника к собственной проводимости Г .  [c.178]

Примесная проводимость полупроводников. Температурная зависимость электропроводности невырожденных примесных полупроводников, как и собственных, определяется в основном температурой зависимостью концентрации носителей. Поэтому качественный характер кривой зависимости а (Т) аналогичен кривой зависимости п (Т), показанной на рис. 6.4, в.  [c.191]

Область t простирается от температуры истощения примеси Т, до температуры перехода к собственной проводимости Т,-. В этой области все примесные атомы ионизированы, но еще не происходит заметного возбуждения собственных носителей, вследствие чего концентрация носителей сохраняется приблизительно постоянной и равной концентрации примеси п = Л . Поэтому температурная зависимость проводимости полупроводника в этой области определяется температурной зависимостью подвижности носителей. Есл.и  [c.192]

Так как обычно Un > Ир, то в собственном полупроводнике является величиной отрицательной, В акцепторном полупроводнике при переходе к собственной проводимости происходит смена положительного знака термо-э. д. с. на отрицательный.  [c.261]

В нижней части рис, 9.2 показана кривая изменения термо-э. д. с. донорного полупроводника с температурой. В области собственной проводимости она сливается с кривой для р-полупровод-ника.  [c.262]

Кривая 2 на рис. 9.5, б соответствует полупроводнику р-типа. В области примесной проводимости постоянная Холла в таком полупроводнике положительна, в области собственной проводимости — отрицательна. При переходе к собственной проводимости Rx меняет знак, переходя через нуль, а логарифм Rx устремляется при этом к—оо.  [c.269]

Собственная проводимость. Полупроводник, не содержащий примесей, в нормальных условиях обладает так. называемой собственной проводимостью. Например, в германии — элементе IV группы — между атомаг.ш в кристаллической решетке существуют парноэлектронные (ковалентные) связи под влиянием теплового движения появляются свободные электроны и часть ковалентных связей нарушается. Одновременно со свободными электронами появляются и положительные носители, так называемые дырки. Понятие дырки означает вакантное место — недостаток электрона в атоме и нарушение одной из связей. Вакантное место может запять валентный электрон соседнего атома тогда нарушенная связь восстанавливается, по зато исчезнет связь в другом месте, откуда был переброшен электрон там появится дырка. Хотя этот процесс представляет собой переход электрона, он вместе с тем сопровождается как бы перемещением дырки в противоположном направлении.  [c.171]

ВИЯХ в отличие от узкозонных полупроводников собственная проводимость здесь ничтожна.  [c.272]

Акцепторные уровни расположены выше потолка валентной зоны, и при наличии энергии активации АЕд электроны л-гз валентной зоны могут переходить на указанные уровни, -оставляя в зоне незанятые энергетические уровни — дырки. Этот переход сопровождается превращением акцепторов в отрицательно заряженные ионы, которые также не участвуют н электропроводности. Такой полупроводник называют примесным полупроводником р-типа (для него характерна дырочная проводимость). Таким образом, в противоположйость собственной проводимости примесная проводимость осуществляется носителями заряда только одного знака — электронами, которые поставляются донорами в свободную зону, нли дырками путем захвата электронов из валентной зоны акцепторами.[c.92]

Температурная аасисимость удельной проводимости полупроводника есть результат изменения концентрации и подвижности носителей заряда (рис. 8-6). В области низких температур полупроводник характеризуется примесной электропроводностью, а в области высоких температур — собственной электропроводностью. В области примесной электропроводности приведены три кривые для различных значений концентрации примесей, вплоть до вырождения полупроводника, когда зависимость его удельной проводимости в некотором интервале температур стано-аится подобной зависимости удельной проводимости металлов.  [c.243]

Примесные полупроводники донор-ного типа. В характере зависимости положения уровня Ферми и концентрации свободных носителей заряда примесных полупроводниках от температуры можно условно выделить три области область низких температур, истощения примеси и перехода к собственной проводимости.  [c.164]

При собственном и примесном поглощениях возникают избыточные свободные носители заряда, приводящие к увеличению проводимости полупроводника. Процесс внутреннего освобождения электронов под действием света называется внутренним фотоэффектом. Добавочная проводимость, приобретаемая полупроводником при облучении светом, называется фотопроводимостью. Основная, же проводимость, обусловленная тепловым возбуждением свободных носителей заряда, называется темновой проводимостью. Приборы, предназначенные для регистрации светового излучения по[c.324]

Экситоны. Как уже указывалось, при возбуждении собственной фотопроводимости электроны из валентной зоны перебрасываются в зону проводимости и становятся свободными. Однако возможно и иное течение процесса, когда возбужденный электрон не разрывает связи с дыркой, возникающей в валентной зоне, а образует с ней единую связанную систему. Такая система была впервые рассмотрена Я. И. Френкелем и названа им экситоном. Экситон сходен с атомом водорода в обоих случаях около единичного положительного заряда движется электрон и энергетический спектр является дискретным (рис. 12. 9). Уровни энергии экситоиа располагаются у дна зоны проводимости. Так как экситоны являются электрически нейтральными системами, то возникновение их в полупроводнике не приводит к появлению дополнительных носителей заряда, вследствие чего поглощение света не сопровождается увеличением проводимости полупроводника. При столкновении же с фоноиами, примесными атомами и другими дефектами решетки экситоны или рекомби-иируют, или разрываются . В первом случае возбужденные атомы переходят в нормальное состояние, а энергия возбуждения передается решетке или излучается в виде квантов света во втором случае образуется пара носителей — электрон и дырка, которые обусловливают повышение электропроводности полупроводника,  [c.327]


Собственная проводимость полупроводников

| на главную |
доп. материалы |
физика как наука и предмет |
квантовая физика атомов, молекул и твердых тел |


Организационные, контрольно-распорядительные и инженерно-технические услуги
в сфере жилой, коммерческой и иной недвижимости. Московский регион. Официально.

Полупроводниками являются твердые тела, которые при Т=0
характеризуются полно­стью занятой электронами валентной зоной, отделенной от
зоны проводимости сравнительно узкой (DЕ
порядка 1 эВ) запрещенной зоной (рис. 314, г). Своим названием они обязаны тому,
что их электропроводность меньше электропроводности металлов и больше
электропроводности диэлектриков.

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. 315). 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).

Таким образом, в собственных полупроводниках наблюдаются два
механизма проводимости: электронный и дырочный. Число электронов в зоне
проводимости равно числу дырок в валентной зоне, так как последние соответствуют
электронам, возбужденным в зону проводимости. Следовательно, если концентрации
электронов проводимости и дырок обозначить соответственно пe,
и nр, то

                                                       
(242.1)

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. 316). Действительно, для переброса электрона с верхнего
уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости затрачивается
энергия активации,
равная ширине запрещенной зоны
DE.
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

                                       
(242.2)

где E2энергия,
соответствующая дну зоны проводимости (рис. 316), ЕF
энергия Ферми, Т — термодинамическая температура, С1
постоянная, зависящая от температуры и эффективной массы электрона
проводимости. Эффективная масса — величина, имеющая размерность массы и
характеризующая динамические свойства квазичастиц — электронов проводимости и
дырок. Введение в зонную теорию эффективной массы электрона проводимости
позволяет, с одной стороны, учитывать действие на электроны проводимости не
только внешнего поля, но и внутреннего периодического поля кристалла, а с другой
стороны, абстрагируясь от взаимодействия электронов проводимости с решеткой,
рассматривать их движение во внешнем поле как движение свободных частиц.

Концентрация дырок в валентной зоне

                                       
(242. 3)

где С2 — постоянная, зависящая от температуры и
эффективной массы дырки, Е1 энергия, соответствующая
верхней границе валентной зоны. Энергия возбуждения в данном случае
от­считывается вниз от уровня Ферми (рис. 316), поэтому величины в
экспоненциальном множителе (242.3) имеют знак, обратный знаку экспоненциального
множителя в (242.2). Так как для собственного полупроводника пe=np
(242.1), то

Если эффективные массы электронов и дырок равны (),
то С12 и, следовательно, (E2–EF)=
=E
1–EF,
откуда

т. е. уровень Ферми в собственном полупроводнике действительно
расположен в середине запрещенной зоны.

Taк как для собственных полупроводников
DE>>kT,
то распределение Ферми — Дирака (235.2) переходит в распределение Максвелла —
Больцмана. Положив в (236.2) E–EF
»
DE/2,
получим

                                        
(242.4)

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

                                                          
(242.5)

где g0
постоянная, характерная для данного полупроводника.

Увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры
является их характерной особенностью (у металлов с повышением температуры
проводимость уменьшается). С точки зрения зонной теории это обстоятельство
объяснить довольно просто: с повышением температуры растет число электронов,
которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости и
участвуют в проводимости. Поэтому удельная проводимость собственных
полупроводников с повышением температуры растет.

Если представить зависимость ln
g
от 1/T,
то для собственных полупроводни­ков — это прямая (рис. 317), по наклону которой
можно определить ширину запрещенной зоны
DЕ, а по ее
продолжению — g0
(прямая отсекает на оси ординат отрезок, равный ln
g
0).

Одним из наиболее широко распространенных полупроводниковых
элементов является германий, имеющий решетку типа алмаза, в которой каждый атом
связан ковалентными связями с четырьмя ближайшими соседями. Упрощенная плоская
схема расположения атомов в кристалле Ge дана на рис.
318, где каждая черточка обозначает связь, осуществляемую одним электроном. В
идеальном кристалле при 0 К такая структура представляет собой диэлектрик, так
как все валентные электроны участвуют в образовании связей и, следовательно, не
участвуют в проводимости.

При повышении температуры (или под действием других внешних
факторов) тепловые колебания решетки могут привести к разрыву некоторых
валентных связей, в результате чего часть электронов отщепляется и они
становятся свободными. В покинутом электроном месте возникает дырка (она
изображена белым кружком), заполнить которую могут электроны из соседней пары. В
результате дырка, так же как и освободившийся электрон, будет двигаться по
кристаллу. Движение электронов проводимости и дырок в отсутствие электрического
поля является хаотическим. Если же на кристалл наложить электрическое поле, то
электроны начнут двигаться против поля, дырки — по полю, что приведет к
возникновению собственной проводимости германия, обусловленной как электронами,
так и дырками.

В полупроводниках наряду с процессом генерации электронов и дырок
идет процесс рекомбинации: электроны переходят из зоны проводимости в
валентную зону, отдавая энергию решетке и испуская кванты электромагнитного
излучения. В результате для каждой температуры устанавливается определенная
равновесная концентрация электронов и дырок, изменяющаяся с температурой
согласно выражению (242.4).


Полупроводники собственная проводимость — Справочник химика 21








    ЧИСЛО возможных уровней в зоне ровно в два раза больше, чем число электронов, вследствие чего она является зоной проводимости. Этим объясняется также высокая электрическая проводимость этих металлов. Существует несколько основных типов взаимного расположения энергетических зон (рис. А.62), соответствующих изолятору, одновалентному металлу, двухвалентному металлу, полупроводнику с собственной проводимостью, примесному полупроводнику и-типа и примесному полупроводнику р-типа. Соотношение энергетических зон (рис. А.62) определяет также тип проводимости твердого тела. [c.142]

    В реальных полупроводниках очень часто собственная проводимость соизмерима с примесной. Имеются полупроводники, в которых одновременно содержатся акцепторные и донорные примеси. Такой общий случай и рассмотрен ниже. Задача состоит в нахождении энергии Ферми (химического потенциала электронов), а также концентрации электронов проводимости и дырок для полупроводника при заданных условиях. [c.195]

    Наиболее наглядно проявляется триада в производстве полупроводниковых материалов. Вот пример. Основная трудность при очистке германия — удаление мышьяка, а при очистке кремния — удаление бора. Парадоксально на первый взгляд выглядит тот факт, чго затрачивается уйма средств и сил для удаления этих элементов вплоть до возникновения у полупроводников собственной проводимости. А затем эти же самые примесные элементы вносят в полупроводники на последующих стадиях производства мышьяк в качестве донора, а бор — в качестве акцептора электронов. Но ведь дело в том, что примеси вносят в очень малых и точных дозах, варьирующих в пределах 10 —10 %. К тому же примеси должны быть внесены таким образом, чтобы они распределились в очень тонких слоях полупроводника и в ограниченных, строго оконтуренных участках. [c.35]








    Шокли в качестве иллюстрации предложил рассматривать двухэтажный гараж. Пусть нижний этаж целиком заполнен автомобилями, а верхний совершенно свободен. В этом случае автомобили не обладают подвижностью в обоих этажах. Пусть один автомобиль перейдет из нижнего в верхний этаж. Возникнет возможность перемещения автомобиля на обоих этажах. При этом движение автомобилей на нижнем этаже рационально описывать как движение дырки (места, где нет автомобиля), хотя двигаются, конечно, автомобили. Движение дырки будет фиксироваться в эффекте Холла как движение положительного заряда. Действительно, устойчивых положительных частиц с массой электрона не существует. Таким образом, у полупроводников с собственной проводимостью имеется как обычная (электронная), так и дырочная проводимость. Вышеизложенное объясняет возрастание проводимости полупроводников с повышением температуры. С ростом температуры увеличивается число электронов, перешедших в верхнюю зону, что и приводит к увеличению электропроводности. [c.517]

    Уровень легирования велик (содержание примесей может доходить до Ю см ). Возникшая в таком кристалле большая плотность свободных носителей заряда вызывает уже необходимость пользоваться статистикой Ферми—Дирака. А так как газ частиц, подчиняющихся этой статистике, называется вырожденным, то часто термин сильно легированный полупроводник отождествляют с названием вырожденный полупроводник . Однако это не совсем правильно, ибо, например, кристалл может содержать такое количество примесей, что при комнат ной температуре электронный газ вырожден, а при высокой температуре вырождение снимается вследствие появления собственной проводимости в полупроводнике. [c.245]

    Расчет концентрации свободных носителей в полупроводнике является важнейшей составной частью статистики электронов. От концентрации носителей зависят важнейшие свойства полупроводников. Собственная проводимость объясняется перебросом части электронов из заполненной зоны в зону проводимости с затратой энергии, равной ширине запрещенной зоны. При этом число электронов в зоне проводимости точно равно числу дырок в валентной зоне. Обозначим энергию электрона на дне зоны проводимости Е , а на верхней границе валентной зоны — 1. Чтобы рассчитать концентрацию электронов в зоне проводимости и число дырок в заполненной зоне, предварительно определяют число электронных состояний между и + с1Е. Для этого в пространстве импульсов выделяется поверхность, отвечающая всем состояниям с заданной энергией Е. Это будет поверхность шара с радиусом р (рис. 9), который определяется отношением (1.7), откуда [c.26]

    Полупроводник с собственной проводимостью (рис. А.62, г). Разность энергии (Еа) между заполненной валентной зоной G и зоной проводимости L настолько мала, что становится сопоставимой с уровнями тепловой энергии. Отсюда [c.142]

    Если кристалл полупроводника не содержит каких-либо примесей, то количество образовавшихся дырок равно количеству освободившихся электронов. Проводимость, возникшая в этих условиях, называется собственной проводимостью полупроводника. [c.95]

    В области собственной проводимости, как показывают опыт и расчет [14, 15], эффект достигает весьма больших значений. В настоящее время он имеет большое значение при исследовании и применении полупроводников. В частности, на основе эффекта Нернста—Эттингсгаузена может быть создан генератор для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, оЧень напоминающий по принципу действия магнитогидродинамические генераторы.[c.333]

    Следует различать полупроводники, обладающие собственной проводимостью, и так называемые примесные. [c.516]

    На диаграмме и соответственно означают энергию электрона на дне зоны проводимости и потолке валентной зоны. Пунктирная линия Еу—уровень Ферми,, который характеризует относительные концентрации дырок и электронов. В полупроводниках собственной проводимости уровень Ферми , проходит по середине запрещенной зоны. Положение уровня Ферми Ф относительно определяется уравнением [c.9]

    Первое слагаемое выражает собственную проводимость, а второе —примесную проводимость полупроводника. При низкой температуре преобладает второй член, так как АЕ больще Проявляться собственная проводимость, а примесная теряет значение. Чем больще АЕ, тем выше должна быть температура, при которой в примесном полупроводнике станет преобладать собственная проводимость. Так, в примесном кремнии собственная проводимость проявляется при более высокой температуре, чем в примесном германии, потому что Д з1= 1,12 эВ, а = 0,72 эВ при комнатной температуре. Поэтому рабочая температура германиевых приборов не превыщает 60— 80° С, а кремниевые приборы могут работать до 200° С. Надо иметь в виду, что возникновение собственной проводимости, достигающей известной доли примесной, в примесном полупроводнике нарушает режим работы приборов. [c.304]

    Все без исключения аллотропные модификации структуры А4, отвечающей стабильным формам, являются полупроводниками, их удельная электропроводность с повышением температуры возрастает. С позиций теории валентных связей этому явлению можно дать следующее объяснение. Считается, что как кремний, так и германий образуют ковалентные связи в 5р -гибридизованном состоянии, причем энергия связи 81—81 и Ое—Ое составляет соответственно 221,5 и 167,2 кДж-моль , т. е. они весьма невелики в сравнении с энергией связи С—С в решетке алмаза (346,9 кДж-моль- ). Следовательно, при повышении температуры связи могут легко рваться, и появившиеся свободные электроны перемещаются внутри кристалла, обеспечивая электрическую проводимость. Полупроводники с таким механизмом проводимости называются собственными полупроводниками, а проводимость такого типа — собственной проводимостью. В случае если в кристалле в виде примесей содержатся атомы мышьяка Аз, сурьмы 8Ь или других элементов подгруппы УБ, замещающих 81 и Ое в узлах кристаллической решетки, возникают избыточные электроны, которые, перемещаясь внутри кристалла, вызывают электрическую проводимость электронная примесная проводимость полупроводники п-типа). В случае если примесями являются трехвалентные атомы элементов подгруппы П1Б—В, Оа и др., то в решетке [c.103]

    В кристаллической решетке полупроводников с собственной проводимостью число электронов равно числу дырок (п = р). Типичными полупроводниками среди простых веществ являются кремний, германий, селен, теллур. Некоторые другие простые вещества в кристаллическом состоянии также проявляют полупровод- [c.186]

    Помимо полупроводников описанного типа, которые обладают собственной проводимостью, имеются также так называемые примесные полупроводники. Роль примеси состоит в том, что она создает уровни внутри запрещенной зоны, благодаря чему оказываются возможными электронные переходы с энергией меньшей, чем ширина зоны. Примесь может быть [c.179]

    Иногда при условии активации практически всех донорных или акцепторных центров, когда собственная проводимость еще почти не имеет значения, иа кривой а — /(Т) может появиться область понижения проводимости за счет преобладающего влияния падающей подвижности носителей заряда. При дальнейшем повышении Т и усилении генерации подвижных носителей заряда собственно полупроводника опять повышается проводимость. [c.245]








    Введем несколько определений. Проводимость химически чистых полупроводников называется собственной проводимостью, а сами полупроводники — собственными полупроводниками. Как мы видели, для них п = р = п,-. Проводимость полупроводников, содержащих примесь, называется несобственной. Если в полупроводнике концентрация свободных электронов, создаваемая донорными примесями, преобладает над концентрацией дырок, т. е. п > р, то его называют электронным полупроводником, или полупроводником я-типа если р п (преимущество акцептора), то полупроводник будет р-типа. В полупроводнике л-типа свободные электроны называются основными носителями тока, а дырки — неосновными носителями в полупроводнике р-типа — наоборот. [c.245]

    Полупроводники мы определили как тела, проводимость которых равна нулю при О К и заметно возрастает при повышении температуры. В 4 речь шла о полупроводниках с так называемой собственной проводимостью, для которых характерно следующее при О К валентные зоны целиком заполнены, а зоны проводимости совершенно пустые, но [c.193]

    Донорный полупроводник (Л д = О, МафО). Ограничимся вначале областью температур, при которых имеет место лишь ионизация примесных центров, а собственная проводимость отсутствует, т. е. р = 0. [c.246]

    Общая собственная проводимость полупроводника [c.429]








    Полупроводник с собственной проводимостью. Валентная зона может вместить N электронов, зона проводимости — М. Когда М Л, может существовать л = 0, 1, 2,. .., N возбужденных электронов. Каждый из ни.х может рекомбинировать, когда он встретит одну из п дырок следовательно, г (л) = Каждый из iV —л оставшихся в валентной зоне электронов может совершить переход в одно из М — п вакантных мест следовательно, gf (л) (jV — л) (/И — л). Границы при л = 0 и п = Л являются естественными. Основное кинетическое уравнение имеет вид [c.161]

    При высокой температуре, когда катализ протекает в области собственной проводимости полупроводника, а уровень Ферми лежит посередине запрещенной зоны, наоборот, примеси слабо влияют на скорость каталитических реакций, так как при этом число электронов, вносимых основным катализатором, намного превышает число электронов, вносимых примесью. [c.473]

    Собственная проводимость полупроводников. Как следует из рис. 198, все атомы объединены а-связями из гибридизированных орбита-лей, поэтому идеальный кристалл полупроводника не проводит лек-трический ток и является изолятором. Идеальным кристалл может быть только при О К, так как в этих условиях исключено тепловое движение, создающее нарушения в кристаллической структуре. При [c.443]

    Однако Боненкамп и Энгел под потенциалом германиевого электрода п- и р-типа понимают потенциал поверхности полупроводника по отношению к его объему,, а не обычный электрохимический потенциал. Поэтому, в действительности, нулевая точка германия п-типа должна находиться в более отрицательной, а р-типа — в более положительной области по отношению к полупроводнику собственной проводимости. [c.15]

    К = 2,6 мкм), 3,45 (/. = 2-10 мкм) отражат. способность 0,3 ( > 1,5 мкм). К -полупроводник ширина запрещенной зоны 1,21 эВ при т-ре ок. О К и 1,09 эВ при 300 К концентрация носителей тока в К. с собственной проводимостью 1,5- 10 м (300 К) температурная зависимость подвижности электронов и дырок [м/(В с)] определяется соотв. выражениями (л = 4,0- (300 400 К) и [c.508]

    При невысоких температурах доля электронов, переп1едших в возбужденные состояния, невелика. Поэтому у полупроводников с собственной проводимостью валентная зона почти заполнена (свободные состояния имеются лишь у верхнего края зоны), а зона проводимости почти свободна (заняты состояния у дна 301И11). Соответственно почти пустая зона проводимости у полупроводника /г-типа и почти заполненная валентная зона у полупроводника / -типа. Как мы уже отмечали, поведение электронов почти пустой зоны аналогично поведению свободных электронов с массой т [формула (УП1. 47) для кинетической энергии и формула (УИ1.45) для энер[ етической плотности состояний]. Состояние электронов почти заполненной валентной зоны может быть. описано путем рассмотрения движения свободных квазичастиц — дырок [формулы (УП1.48) и (УП1.49)]. Соответственно говорят об электронной проводимости, обусловленной электронами зоны проводимости, и дырочной проводимости, обусловленной движением электронов ( дырок ) валентной зоны. В случае полупроводников с собственной проводимостью осуществляются оба механизма проводимости — электронный и дырочный. В случае полупроводников п-типа имеет мес- [c.194]

    К. Такие эффекты обычно связывают с рассеянием свободных носителей заряда при температурах, отвечающих переходу от примесной проводимости к собственной. Однако переход в алмазе от проводимости через мелкие уровни к проводимости через глубокие, когда энергия активации увеличивается на 2—3 порядка, формально повторяет модель перехода от примесной к собственной проводимости в полупроводнике. Рассеяние свободных носителей заряда, обеспечивающее сильную зависимость их подвижности от температуры, происходит в данном случае, по-видимому, на ионизированных примесях и других дефектах, концентрация которых в изучавшихся образцах значительна. [c.458]

    Собственная проводимость полупроьодников. Как следует из рис. 198, все атомы объединены ст-связями из гибридизированных орбиталей, поэтому идеальный кристалл полупроводника не проводит электрический ток и является изолятором. Идеальным кристалл может быть только при О К, так как в этих условиях [c. 428]

    Акцепторный полупроводник N =0, Ыаф 0). Решение задачи для полупроводника, легированного акцепторной примесью, полностью аналогично случаю донорного полупроводника. Условие электронейтральности (при условии, что собственная проводимость отсутствует, т. е. п = 0) теперь будет иметь вид р = Л/а/оа или, если учесть (423а) и (429а), [c.247]

    В полупроводниках концентрация носителей юка колеблется в пределах 10 —10 (редко до 10 ) в 1 см а подвижность — от нескольких единиц до десятков тысяч см 1 в-сек). Подвижность электронов в вешсстае может заметно отличаться От гюдвижности дырок, поэтому обычно даже собственные полупроводники обладают проводимостью п- или р-типа. [c.299]


§ 3.3.5. Собственная проводимость полупроводников

Полупроводниками
являются
твердые
тела,
которые
при Т
= 0 характеризуются
полностью
занятой
электронами
валентной
зоной, отделенной от зоны проводимости
сравнительно узкой (ΔЕ
порядка
1 эВ)
запрещенной
зоной (рис.
17,
г).
Своим
названием
они
обязаны тому,
что
их:
электропроводимость
меньше
электропроводности
металлов и больше электропроводности
диэлектриков.

В
природе полупроводники
существуют
в виде элементов (элементы
IV,
V
и VI
групп
Периодической системы
элементов
Менделеева),
например,
Si,
Gе,
Аs,
Sе,
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
Gе,
Sе,
а также многие химические
соединения: InSb,
GаAs,
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 1 могут быть переброшены
на нижние
уровни зоны
проводимости
II
(рис. 18). 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).

Рис. 18

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
наполнения
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
р-типа
(от
лат. роsitive
– положительный).

Таким
образом, в собственных полупроводниках
наблюдаются два механизма проводимости:
электронный и дырочный. Число электронов
в зоне проводимости равно числу дырок
в валентной зоне, так как последние
соответствуют электронам, возбужденным
в зону проводимости. Следовательно,
если концентрации электронов проводимости
и дырок обозначить соответственно ne,.
и np,
то

ne
= np
. (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.
19).
Действительно,
для
переброса электрона с верхнего
уровня
валентной зоны
на
нижний уровень зоны
проводимости затрачивается энергия
активации,
равная
ширине
запрещенной зоны
ΔЕ.
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 энергии затрачивается на
образование дырки, то начало отсчета
для каждого
из этих процессов должно находиться
в середине запрещенной
зоны.
Энергия
Ферми в собственном полупро
воднике
представляет собой
энергию,
от
которой
происходит возбуждение электронов и
дырок.

Рис. 19

Так
как
для собственных полупроводников
ΔЕ
>> kT,
то распределение Ферми-Дирака
переходит
в распределение
Максвелла — Больцмана.
Положив
E
EF

ΔЕ/2,
получим

. (2)

Количество
электронов, переброшенных в
зону
проводимости,
а следовательно, и
количество образовавшихся
дырок
пропорциональны

.
Таким образом, удельная
проводимость
собственных полупроводников

или

(3)

где
γ0
– постоянная,
характерная
для
данного
полупроводника;

е
– элементарный заряд;

п0
– концентрация пар электронов и дырок;

uЭ
, uД
– подвижности электронов и дырок ().

Увеличение
проводимости
полупроводников
с
повышением температуры
является
их характерной особенностью (у металлов
с повышением температуры
проводимость
уменьшается).
С точки зрения
зонной
теории
это обстоятельство объяснить довольно
просто: с повышением температуры растет
число
электронов, которые вследствие теплового
возбуждения, переходят
в зону
проводимости
и участвуют
в проводимости. Поэтому удельная
проводимость
собственных полупроводников
с повышением температуры
растет.

Если
представить зависимость
1n
γ от
1/T,
то
для собственных полупроводников
– это прямая (рис.
20)
, по наклону
которой можно определить ширину
запрещенной
зоны ΔЕ,
а
по
ее продолжению
— γ0
(прямая
отсекает
на оси ординат
отрезок, равный
1n
γ0).

Одним
из наиболее широко распространенных
полупроводниковых элементов является
германий, имеющий решетку типа
алмаза,
в
которой каждый атом связан
ковалентными
связями
(см.
§71)
с
четырьмя
ближайшими соседями. Упрощенная
плоская схема расположения атомов в
кристалле Gе
дана па рис.
21, где каждая
черточка обозначает связь, осуществляемую
одним электроном. В идеальном
кристалле при
0
К такая
структура
представляет
собой диэлектрик, так как
все
валентные электроны участвуют в
образовании связей и, следовательно,
не участвуют
в проводимости.

Р
ис.
20
Рис. 21

При
повышении температуры (или
под
действием
других внешних факторов) тепловые
колебания решетки могут привести
к
разрыву некоторых валентных связей,
в
результате чего часть электронов
отщепляется
и они становятся свободными. В
покинутом электроном месте возникает
дырка
(она
изображена
белым кружком),
заполнить
которую могут электроны из соседней
пары. В результате дырка, также
как и освободившийся электрон, будет
двигаться по кристаллу. Движение
электронов
проводимости и дырок в отсутствие
электрического поля является хаотическим.
Если
же на кристалл наложить электрическое
поле, то электроны начнут двигаться
против поля, дырки — по полю, что приведет
к возникновению собственной проводимости
германия, обусловленной как
электронами, так и дырками.

В
полупроводниках наряду с процессом
генерации электронов и дырок идет
процесс
рекомбинации:
электроны
переходят из зоны проводимости в
валентную зону,
отдавая энергию решетке и испуская
кванты
электромагнитного излучения. В
результате для каждой температуры
устанавливается
определенная равновесная
концентрация
электронов и дырок, изменяющаяся с
температурой пропорционально
выражению (242.4).

Внутренние полупроводники — Разработка LibreTexts

Полупроводники являются одним из трех классов электрических материалов и являются основой каждого твердотельного электронного устройства, которое используется сегодня. Собственные полупроводники, также известные как чистые или нелегированные полупроводники, описывают идеальные полупроводниковые кристаллы, не содержащие дефектов и примесей других элементов. Собственные полупроводники, которые намеренно легированы другими элементами, называются внешними полупроводниками.Собственные свойства обнаруживаются во всех полупроводниковых материалах, даже тех, которые легированы другими элементами, при этом легирующие элементы придают другие желаемые свойства.

Введение

Все полупроводники обладают внутренними свойствами, которые описаны здесь; даже внешние полупроводники обладают основными внутренними свойствами. Собственные по определению означает естественные или врожденные, а собственные полупроводники — это основные свойства самого полупроводникового материала, а не свойства примесей или примесей.Кремний и германий являются двумя наиболее часто используемыми примерами собственных полупроводников, поскольку они являются элементарными полупроводниками и были одними из первых широко изученных и используемых полупроводников. Электронная структура полупроводников — основа их уникальных свойств. Механизмы, которые делают полупроводники отдельным классом материалов, основаны на электрической структуре, которая определяет основные свойства полупроводников.

Электрическая конструкция

Свойства собственных полупроводников можно описать с помощью зонной теории полупроводников, которая показана на рисунке 1.

Рис. 1 — Зонная диаграмма внутреннего полупроводника, показывающая энергию Ферми, зоны проводимости и валентности, а также запрещенную зону.

Хотя зонная структура полупроводников может выглядеть очень похожей на структуру изолятора, запрещенная зона между зоной проводимости и валентной зоной в полупроводнике имеет гораздо меньшую энергию, обычно менее 4 эВ. Свойства полупроводников сильно зависят от температуры. Эта температурная зависимость обусловлена ​​тем, что при 0K в зоне проводимости нет электронов.Это напрямую связано с энергией Ферми , которая является максимальной энергией электрона при 0K. Поскольку запрещенная зона или запрещенная область не имеют вероятности того, что электрон займёт эту область, максимальная энергия, которую электрон в полупроводнике может достичь при 0 К, находится на верхнем крае валентной зоны. При повышении температуры электроны в валентной зоне могут набирать достаточно энергии, чтобы перескочить из запрещенной зоны в зону проводимости, и они оставляют дыру, которая представляет собой область локального положительного заряда, которую когда-то занимал электрон.Число электронов, пересекающих зазор, зависит от температуры и от конкретного внутреннего материала. Эти пары электронов-дырок притягиваются друг к другу своим электрическим зарядом и называются экситонами. В собственных полупроводниках имеется равное количество электронов и дырок в материале; для каждого электрона, продвигающегося через зазор, остается дыра. Энергия запрещенной зоны, которая зависит от материала, также зависит от температуры и уменьшается с температурой до определенной степени в зависимости от материала.{2}} {T + \ Theta _ {D}} Ур. 1 _ {[2]} \] где E gapO — это энергия запрещенной зоны при 0K, ξ — постоянная величина, T — температура, а θ D — температура Дебая, которая зависит от материала.

Энергия запрещенной зоны и количество электронов и дырок в валентной зоне и зоне проводимости, а также чистая кристаллическая решетка важны для понимания электронной структуры собственных полупроводников и являются основой для понимания свойств полупроводников. .

Очистка / обработка

Одной из наиболее важных проблем, связанных с собственными свойствами полупроводника, является отсутствие примесей в материале. Примеси могут изменять зонную структуру, ширину запрещенной зоны, энергию Ферми, а также концентрацию электронов и дырок в полупроводнике, точно так же, как легирующие примеси в примесных полупроводниках. Таким образом, чистота собственных полупроводниковых материалов должна быть менее нескольких частей на миллиард [4], и для конкретных применений она может быть очищена выше 99,999% [4].

Большая часть очистки полупроводников осуществляется с помощью химических процессов, но такие процессы, как зональная очистка, используются для уже затвердевших материалов. Зонное измельчение — это процесс, при котором твердый кусок материала нагревается в локальном месте на конце материала до тех пор, пока на конце не образуется небольшая расплавленная область, и медленно перемещается по всей длине материала, пока весь материал не испытает локальное плавление. Причина этого процесса заключается в том, что жидкий расплав может растворять больше примесей, чем твердый, и таким образом улавливать примеси в расплаве вместо затвердевшего материала.После завершения процесса конец, на котором находится затвердевший расплав, отрезают, чтобы удалить область концентрированной примеси. Процесс можно повторить для дальнейшего уточнения, но при этом необходимо пожертвовать большим количеством сыпучего материала.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): — Процесс Чохральского для формирования монокристаллических полупроводниковых булей

Формирование объемных полупроводников осуществляется разными методами, но процесс Чохральского обычно используется для создания больших монокристаллических слитков или «булей» из какие полупроводниковые пластины производятся.Процесс Чохральского, показанный на рисунке 2, состоит из расплава кремния высокой чистоты или германия в тигле (этап 1) и затравочного кристалла. Затравочный кристалл заранее характеризуется ориентацией кристаллической решетки и подготовлен таким образом, чтобы кристалл формировался с желаемой ориентацией. Затем затравочный кристалл вводится в расплав (этап 2), медленно вытягивается и вращается по мере затвердевания расплава вокруг затравочного кристалла (этап 3). Контроль температуры расплава и скорости охлаждения затвердевшего кристалла, который образуется из затравочного кристалла, имеет жизненно важное значение для этого процесса.После использования большей части расплава монокристаллический слиток удаляют (этап 4). Этот процесс обычно проводят в инертной среде, чтобы уменьшить попадание примесей в кристалл во время формирования.

Электрические характеристики

Полупроводники, как упоминалось ранее, являются одним из трех классов электронных материалов. Полупроводниковые материалы из-за зонной структуры становятся более проводящими с повышением температуры. Это свойство напрямую связано с концентрацией электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне, а эта концентрация электронов и дырок напрямую связана с температурой.{\ frac {-E_ {gap}} {2k_ {b} T}} \ label {2} \]

, которая является функцией эффективной массы электрона / дырки m * e / h , постоянной Больцмана kB, температуры T, постоянной Планка h и ширины запрещенной зоны E gap . Концентрация дана по количеству носителей. Известные данные для кремния и уравнение 2 были использованы для создания рисунка 3, который представляет собой типичный пример зависимости электронных и дырочных носителей в собственном полупроводнике от температуры.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): — Расчетные концентрации электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне при заданной температуре для кремния с использованием уравнения 2.

На рис. 3 показано резкое увеличение количества несущих на отметке около 600 тыс. При более низких температурах, если бы в кристалле были примеси, которые изменяли электроны в кристалле, дополнительные примеси изменяли бы концентрацию дырок или электронов в электронной структуре. Важность электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне напрямую связана с проводимостью. Электропроводность σ собственного полупроводника равна \ [\ sigma = e \ mu_ {e} N_ {e} + e \ mu_ {h} N_ {h} Eq. 3 _ {[1] [2]} \] и основан на количестве носителей электронов / дырок в зоне проводимости / валентной зоне N e / h , подвижности электронов / дырок в зоне проводимости / валентной зоне μ e / h , а заряд электрона e.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): и уравнение 3.

Проводимость кремния, основанная на данных о плотности носителей из рисунка 3, была построена с использованием уравнения 3 и показана на рисунке 4. Обратите внимание на сходство между рисунками 3 и 4. , поскольку электроны и дырки являются источником проводимости в собственных полупроводниках. На рис. 4 ясно показано сильное увеличение проводимости при высоких температурах, так же как и рост концентрации носителей заряда в той же области температур. Этот рост проводимости с повышением температуры противоположен металлам, поскольку металлы уменьшают проводимость с повышением температуры.Это свойство позволяет использовать полупроводники в качестве материала для высокотемпературных электрических систем.

Другое — магнитные и оптические свойства

Внутренние полупроводники являются парамагнитными материалами и не используются для каких-либо конкретных магнитных приложений. Хотя полупроводники используются в датчиках на эффекте Холла для измерения магнитного поля, это приложение зависит от электрических свойств материала, а собственные полупроводники обычно не используются для этой цели из-за их плохой проводимости вблизи температур окружающей среды.

Собственные полупроводники — это диэлектрический материал, и оптические свойства определяются диэлектрической поляризацией. Полупроводники также обладают уникальным свойством, состоящим в том, что ширина запрещенной зоны находится в спектре инфракрасного света, и фотоны до этой энергии могут продвигать электрон в зону проводимости через запрещенную зону. Однако в большинстве оптических приложений в качестве оптических подложек используются легированные полупроводники, в первую очередь кремний и германий, так как специфические спектры поглощения регулируются с помощью легирующих добавок.

вопросов

  1. В чем основное отличие электронной структуры полупроводников от диэлектриков?
  2. Почему в собственном полупроводнике одинаковое количество электронов и дырок?
  3. Если небольшое количество примесей изменяет концентрацию электронов или дырок в собственном полупроводнике, как это повлияет на электрическую проводимость при низких температурах?
  4. Как можно использовать электропроводность, чтобы определить, является ли материал металлом или полупроводником?

ответы

  1. Хотя электронная структура полупроводника и изолятора выглядит одинаково, ширина запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной намного меньше, что позволяет электронам возбуждаться через запрещенную зону, обеспечивая проводимость.
  2. В собственном полупроводнике имеется равное количество электронов и дырок, потому что для каждого электрона, продвигаемого из валентной зоны в зону проводимости, в валентной зоне создается одна дырка.
  3. Примеси могут вызвать изменение проводимости, так как проводимость зависит от количества дырок или электронов в валентной зоне или зоне проводимости полупроводника. Поскольку при низких температурах количество электронов, продвигающихся через запрещенную зону, невелико, примеси будут доминировать в любой электрической проводимости при низких температурах.
  4. Хотя саму электропроводность нельзя измерить напрямую, у металла будет уменьшаться проводимость с повышением температуры, а у полупроводника — с повышением температуры.

Дополнительные ссылки

  • Полупроводники (все предметы) — Гиперфизика
  • Буль (Кристалл) — Википедия
  • Типы полупроводников — Институт технологий и менеджмента Ганди, Департамент инженерной физики
  • Внутренние полупроводники — основы физики полупроводников, оптика 4 Инженеры

Список литературы

  1. С. О. Касап, Принципы электронных материалов и устройств , 3 rd ed. Нью-Йорк: Макгроу Хилл, 2006
  2. R.E. Hummel, Электронные свойства материалов , 4-е изд. Нью-Йорк: Springer, 2012.
  3. .

  4. Д. Б. Сирдешмук и др., Электрические, электронные и магнитные свойства твердых тел. Нью-Йорк: Springer, 2014.
  5. Высокочистый кремний для оптики , (2011) Lattice Materials LLC [Online — PDF] Доступен

Авторы

  • Дэвид Лойола — студент — Калифорнийский университет в Дэвисе — факультет химической инженерии и материаловедения

Собственный полупроводник — Проводимость в собственном полупроводнике

Проводимость
в собственном полупроводнике

Процесс проведения в собственном
полупроводник показан на рис.На рисунке ниже
Внутренний полупроводник подключен к батарее.

Здесь положительный полюс АКБ
подключен к одной стороне, а отрицательная клемма аккумулятора
подключен к другой стороне. Как известно, как обвинения отталкивают каждого
другие и противоположные заряды притягиваются друг к другу. В аналогичном
способ притяжения отрицательных носителей заряда (электронов) к
положительный полюс аккумулятора и положительные носители заряда
(отверстия) притянуты к отрицательной клемме аккумулятора.

Электроны испытают силу притяжения
от положительного вывода, поэтому они движутся к положительному
клемма аккумулятора, проводя электрический ток.
Точно так же отверстия будут
испытать силу притяжения от отрицательного терминала, поэтому
они движутся к отрицательной клемме аккумулятора на
проводящий электрический ток.Таким образом, в полупроводниковом электрическом
ток переносится как электронами, так и дырками.

В собственном полупроводнике количество свободных
электронов в зоне проводимости равно количеству
дыры в валентной зоне. Ток, вызванный электронами и дырками
равно по величине.

Полный ток в собственном полупроводнике — это сумма дырок
и электронный ток.

Полный ток = Электронный ток
+ Ток отверстия

I = Ihole + Ielectron

Разница между внутренним и внешним полупроводником (со сравнительной таблицей)

Внутренние и внешние полупроводники относятся к 2 категориям полупроводниковых материалов.Разница между внутренним и внешним полупроводником заключается в том, что внутренние полупроводники представляют собой чистую форму полупроводниковых материалов. В то время как примесные полупроводники — это нечистый полупроводник, образованный добавлением примеси к чистому полупроводнику.

Нет, любая внешняя примесь легируется в случае собственного полупроводника, в то время как внешние полупроводники формируются путем добавления трехвалентных или пятивалентных примесей к полупроводниковому материалу.

В следующих разделах этой статьи мы обсудим некоторые основные различия между ними.Но прежде чем перейти к ней, давайте взглянем на содержание, которое будет обсуждаться в этой статье.

Содержание: Внутренний полупроводник против внешнего полупроводника

  1. Таблица сравнения
  2. Определение
  3. Ключевые отличия
  4. Заключение

Сравнительная таблица

Параметр Внутренний полупроводник Внешний полупроводник
Форма полупроводника Чистая форма полупроводника. Неочищенная форма полупроводника.
Проводимость Обладает плохой проводимостью. Он обладает сравнительно лучшей проводимостью, чем собственный полупроводник.
Ширина запрещенной зоны Ширина запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной мала. Энергетическая щель больше, чем у собственного полупроводника.
Уровень Ферми Он находится в середине запрещенной энергетической щели. Наличие уровня Ферми зависит от типа внешнего полупроводника.
Зависимость Проводимость зависит от температуры. Проводимость зависит от концентрации легированной примеси и температуры.
Концентрация носителей Равное количество электронов и дырок присутствует в зоне проводимости и валентной зоне. Наличие в большинстве случаев электронов и дырок зависит от типа внешнего полупроводника.
Тип В дальнейшем не классифицируется. Классифицируется как полупроводник p-типа и n-типа.
Пример Si, Ge и т. Д. GaAs, GaP и т. Д.

Определение внутреннего полупроводника

Собственный полупроводник формируется из высокочистого полупроводника , который также известен как чистые полупроводники. В основном это нелегированные полупроводники, не содержащие в себе легированной примеси.

При комнатной температуре собственные полупроводники демонстрируют почти пренебрежимо малую проводимость . Поскольку никакой другой тип элемента не присутствует в его кристаллической структуре.

Элементы IV группы периодической таблицы Менделеева образуют внутренний полупроводник. Однако широко используются в основном кремний и германий . Это потому, что в их случае требуется лишь небольшая энергия для разрыва ковалентной связи.

На рисунке ниже показана кристаллическая структура кремния :

На рисунке выше ясно видно, что кремний состоит из 4 электронов в валентной оболочке. Здесь между электронами атома кремния образуются 4 ковалентные связи.

Когда температура кристалла увеличивается, электроны в ковалентной связи приобретают кинетическую энергию, и после разрыва ковалентной связи он освобождается. Таким образом, движение свободных электронов порождает ток.

Повышение температуры несколько увеличивает количество свободных электронов для проводимости.

Определение внешнего полупроводника

Внешние полупроводники — это полупроводники, которые являются результатом добавления примеси к чистому полупроводнику.Их в основном называют нечистой формой полупроводников.

Процесс, посредством которого в чистый полупроводник попадает определенное количество примесей, известен как легирование . Таким образом, мы можем сказать, что чистый полупроводник легирован для образования примесного полупроводника.

Это с высокой проводимостью по своей природе . Однако, в отличие от собственного полупроводника, внешние полупроводники бывают двух типов: p-тип и полупроводник n-типа .

Здесь следует отметить, что классификация примесного полупроводника зависит от типа элемента, легированного чистым полупроводником.

Полупроводники p-типа образуются путем введения элементов III группы или трехвалентной примеси в чистый полупроводник. Они также известны как акцепторная примесь , поскольку трехвалентная примесь имеет только 3 электрона в валентной оболочке.

Полупроводники n-типа образуются путем добавления элементов V группы или пятивалентной примеси к чистому полупроводнику. Их называют донорной примесью , поскольку пятивалентная примесь удерживает 5 электронов в своей валентной оболочке.

На рисунке ниже представлена ​​кристаллическая структура полупроводника n-типа :

Здесь на приведенном выше рисунке ясно показано, что пятивалентная примесь легирована чистым кристаллом кремния. В этом случае 4 электрона фосфора ковалентно связаны с соседним атомом кремния. Но, тем не менее, при этом остается свободный электрон.

Таким образом, движение этих свободных электронов создает высокую проводимость. Кроме того, повышение температуры приводит к разрыву ковалентной связи.Следовательно, генерируется больше свободных электронов.

Итак, это причина, по которой примитивный полупроводник n-типа имеет электроны в качестве основного носителя заряда.

Ключевые различия между внутренним и внешним полупроводником

  1. Фактор, который порождает ключевое различие между собственным и внешним полупроводником, заключается в том, что внутренние полупроводники считаются чистыми и, следовательно, в нем нет концентрации примесей. В отличие от этого, примесные полупроводники считаются нечистыми, поскольку примесь легируется для ее образования.
  2. Собственные полупроводники благодаря своей чистой форме обладают низкой проводимостью . В то время как внешние полупроводники демонстрируют сравнительно лучшую проводимость, чем собственный полупроводник.
  3. В случае собственного полупроводника имеется почти равная концентрация электронов () и дырок (). Напротив, концентрация электронов и дырок зависит от типа примесного полупроводника.
  4. Электропроводность собственного полупроводника действительно зависит от температуры.Напротив, проводимость примесного полупроводника зависит от температуры, а также от концентрации примесей.
  5. Собственный полупроводник не соответствует никакой другой классификации , тогда как внешние полупроводники классифицируются как полупроводники p- и n-типа.
  6. Кремний или Германий — это примеров собственных полупроводников. В то время как легирование арсенидных или фосфороподобных элементов в чистом полупроводнике образует примесный полупроводник, такой как GaAs или GaP.

Заключение

Итак, из приведенного выше обсуждения, мы можем сделать вывод, что из-за отсутствия легированной примеси собственный полупроводник проводит несколько меньше, чем примесные полупроводники.

Внутренний полупроводник и внешний полупроводник: диапазон энергий

Электрические свойства материала, который находится между изолятором и проводником, известны как полупроводниковый материал. Лучшими примерами полупроводников являются Si и Ge.Полупроводники делятся на два типа: собственные полупроводники и внешние полупроводники (P-тип и N-тип). Собственный тип — это чистый вид полупроводника, тогда как обширный тип включает примеси, которые делают проводящие. При комнатной температуре собственная проводимость станет нулевой, тогда как внешняя проводимость станет слабой. В этой статье обсуждается обзор собственных полупроводников и примесных полупроводников с диаграммами легирования и энергетических зон.

Что такое внутренний полупроводник?

Внутреннее определение полупроводника — это полупроводник, который является исключительно чистым и является внутренним типом.Согласно концепции энергетической зоны, проводимость этого полупроводника станет нулевой при комнатной температуре, как показано на следующем рисунке. Примеры собственных полупроводников — Si и Ge.

Внутренний полупроводник

На приведенной выше диаграмме энергетических зон зона проводимости пуста, тогда как валентная зона заполнена полностью. Как только температура повышается, к нему может поступать некоторое количество тепловой энергии. Таким образом, электроны из валентной зоны поступают в зону проводимости, покидая валентную зону.

Energy Band

Поток электронов при переходе из валентной зоны в зону проводимости будет случайным. Отверстия, образованные внутри кристалла, также могут свободно течь куда угодно. Таким образом, поведение этого полупроводника покажет отрицательный TCR (температурный коэффициент сопротивления). TCR означает, что при повышении температуры удельное сопротивление материала будет уменьшаться, а проводимость увеличиваться.

Диаграмма энергетического диапазона

Что такое «внешний полупроводник»?

Чтобы сделать полупроводник проводящим, добавляют примеси, которые называются примесными полупроводниками.При комнатной температуре такой полупроводник будет проводить небольшой ток; однако это бесполезно при изготовлении различных электронных устройств. Следовательно, чтобы сделать полупроводник проводящим, небольшое количество соответствующей примеси может быть добавлено в материал посредством процесса легирования.

Внешний полупроводник

Легирование

Процесс добавления примесей в полупроводник известен как легирование. Количество примесей, добавляемых к материалу, должно контролироваться при приготовлении внешнего полупроводника.В общем, один примесный атом может быть добавлен к 108 атомам полупроводника.

Добавляя примеси, нет. дырок или электронов можно увеличить, чтобы сделать его проводящим. Например, если пятивалентная примесь включает 5 валентных электронов, которые добавляются к чистому полупроводнику, то нет. электронов будет существовать. В зависимости от типа добавляемой примеси, примесный полупроводник можно разделить на два типа, например, полупроводник N-типа и полупроводник P-типа.

Концентрация носителей в собственном полупроводнике

В полупроводниках этого типа, как только валентные электроны повреждают ковалентную связь и переходят в зону проводимости, образуются два типа носителей заряда, такие как дырки и свободные электроны.
№ электронов на каждую единицу объема в зонах проводимости в противном случае нет. Количество дырок на каждый единичный объем в валентной зоне называется концентрацией носителей в собственном полупроводнике. Точно так же концентрацию электронных носителей можно определить как нет. электронов на каждую единицу объема в зоне проводимости, тогда как нет. Количество дырок на каждый единичный объем в валентной зоне известно как концентрация дырок-носителей.

При собственном типе электроны, генерируемые в зоне проводимости, могут быть эквивалентны номеру.дырок, которые генерируются в валентной зоне. Следовательно, концентрация электронных носителей эквивалентна концентрации дырок-носителей. Таким образом, его можно представить как

ni = n = p

Где n — концентрация электронного носителя, P — концентрация носителя дырки & ni — концентрация собственного носителя.

В валентной зоне концентрацию дырки можно записать как

P = Nv e — (E F -E V ) / K B T

В зоне проводимости концентрацию электронов можно записать как

N = P = Nc e — (E C -E F ) / K B T

В приведенном выше уравнении KB — это постоянная Больцмана

.

«T» — полная температура полупроводника собственного типа.

«Nc» — эффективная плотность состояний в зоне проводимости.

«Nv» — эффективная плотность состояний в валентной зоне.

Электропроводность внутреннего полупроводника

Поведение этого полупроводника похоже на поведение идеального изолятора при температуре 0 градусов. Поскольку при этой температуре зона проводимости пуста, валентная зона заполнена, а для проводимости нет носителей заряда. Однако при комнатной температуре тепловой энергии может хватить, чтобы сделать огромную нужду. электронно-дырочных пар. Всякий раз, когда к полупроводнику прикладывают электрическое поле, поток электронов будет там из-за движения электронов в одном направлении и дырок в обратном направлении

Для металла плотность тока будет Дж = nqEµ

плотность тока в чистом полупроводнике из-за потока дырок и электронов может быть задана как

Jn = nqEµ n

Jp = pqEµ p

В приведенных выше уравнениях ‘n’ — это концентрация электронов, q — заряд дырки / электрона, p — концентрация дырок, E — приложенное электрическое поле, µ’n — подвижность электронов и µ’p — подвижность дырок. .

Плотность всего тока

J = Jn + Jp

= nqEµ n + pqEµ p

I = qE (nµ n + pµ p )

Где J = σE, тогда уравнение будет иметь вид

σE = = qE (nµ n + pµ p )

σ = q (nµ n + pµ p )

Здесь σ — проводимость полупроводника.

Номер.электронов равны нет. дырок в чистом полупроводнике, поэтому n = p = ni

‘ni’ — это концентрация носителей в собственном материале, поэтому

Дж = q (niµ n + niµ p )

Чистая проводимость полупроводника будет

σ = q (niµ n + niµ p )

σ = qni (µ n + µ p )

Таким образом, проводимость чистого полупроводника в основном зависит от собственной полупроводники, подвижность электронов и дырок.

Часто задаваемые вопросы

1). Что такое внутренний и внешний полупроводник?

Чистый тип полупроводника — это внутренний тип, тогда как внешний — это полупроводник, в который могут быть добавлены примеси, чтобы сделать его проводящим.

2). Какие есть примеры внутреннего типа?

Кремний и германий

3). Какие бывают типы внешних полупроводников?

Это полупроводники P-типа и N-типа

4).Почему в производстве электроники используются внешние полупроводники?

Потому что электрическая проводимость внешнего типа высока по сравнению с собственной. Таким образом, они применимы при разработке транзисторов, диодов и т. Д.

5). Какая проводимость присуща?

В полупроводнике примеси и структурные дефекты имеют чрезвычайно низкую концентрацию, известную как собственная проводимость.

Таким образом, это все об обзоре внутреннего полупроводника и внешнего полупроводника и диаграммы энергетических зон с легированием. Вот вам вопрос, какова внутренняя температура?

2.6 Собственные полупроводники

2.6 Собственные полупроводники


Содержание —
Глоссарий —
Учебные пособия —


В этом разделе

  1. Введение
  2. Расчет собственной плотности носителей
  3. Закон массовых действий
  4. Расчет собственной энергии Ферми
  5. Плотность носителей, выраженная как функция внутренних параметров
  6. Температурная зависимость собственной
    плотность носителей

2.6.1 Введение

Собственные полупроводники — это полупроводники, которые
не содержат примесей. Они действительно содержат электроны
а также дырки. Плотность электронов равна дырке
плотности, поскольку термическая активация электрона
из валентной зоны в зону проводимости дает
свободный электрон в зоне проводимости, а также свободный
дыра в валентной зоне. Мы определим внутреннюю дыру
и электронной плотности с использованием символа n i , и
назовем ее собственной плотностью носителей.


2.6.2 Расчет собственной плотности носителей

Внутренний
полупроводники почти всегда невырождены, так что
выражения для плотности электронов и дырок в
Применяются невырожденные полупроводники.
Обозначая энергию Ферми внутреннего материала E i ,
тогда мы можем записать два отношения между внутренними
плотность носителей и собственная энергия Ферми, а именно:

    (f7)

Исключить внутреннюю энергию Ферми можно как из
уравнения, просто умножив оба уравнения и извлекая квадратный корень.Это дает выражение
для собственной плотности носителей как функции эффективной плотности
состояния в зоне проводимости и валентной зоны и запрещенная энергия
E g = E c — E v .

    (f16)

Численный расчет собственной плотности носителей для Ge, Si и GaAs
а также его температурную зависимость можно найти в разделе
2.6.6.


2.6.3 Закон о массовых действиях

Оказывается, произведение плотности электронов и дырок в
невырожденный полупроводник всегда равен квадрату
собственная плотность носителей, и не только для собственных полупроводников.
Умножая выражения для плотности электронов и дырок в
невырожденный полупроводник дает:

    (F17)

Это свойство упоминается как закон о массовых действиях
1 . это
мощное соотношение, которое позволяет быстро найти плотность дырок
если известна электронная плотность или наоборот.


2.6.4 Расчет внутренней энергии Ферми

Приведенные выше уравнения для собственной плотности электронов и дырок
можно решить для собственного фермиевского
энергия, дающая:

    (f8)

Собственная энергия Ферми обычно близка к средней энергии ,
на полпути между краем зоны проводимости и краем валентной зоны.
Собственная энергия Ферми также может
быть выраженным как функция
эффективные массы электронов и дырок в
полупроводник.Для этого воспользуемся приведенными выше выражениями для
эффективная плотность состояний в зоне проводимости и валентной зоне,
уступая:

    (f9)

2.6.5 Плотность носителей в выражении
как функция внутренних параметров

Разделив выражение для плотности носителей на
значение собственной плотности позволяет записать
плотности носителей как функция собственной плотности
и энергия Ферми, или:

    (f2)

и

    (f4)

Мы будем использовать в первую очередь эти два уравнения, чтобы найти электрон и
плотность дырок в полупроводнике. Те же отношения могут быть
переписан
чтобы получить энергию Ферми из любой плотности носителей, а именно:

    (F20)

и

    (f21)

2.6.6 Температурная зависимость
собственная плотность носителей

Температурная зависимость собственной плотности носителей имеет вид
преобладает экспоненциальная зависимость от ширины запрещенной зоны,
как получено в разделе
2.6.2. Кроме того, необходимо учитывать
температурная зависимость эффективных плотностей состояний и
энергетической запрещенной зоны.График собственной плотности носителей
в зависимости от температуры показано ниже. Температурная зависимость
эффективные массы не были включены, поскольку они малы по сравнению с
другие.

bandgap.xls — intrinsi.gif

    Рис. 2.6.1 Зависимость собственной плотности носителей от температуры
    в GaAs (вверху / черная кривая), кремнии (синяя кривая) и германии
    (нижняя / красная кривая). Маркеры соответствуют Т = 300 К

2,5

2. 7


  1. Эта терминология
    также используется при описании
    химические реакции.

Барт Дж. Ван Зегбрук, 1996, 1997


Собственный кремний и внешний кремний

Собственный кремний

Электропроводность чистого кремния полностью зависит от термически генерируемого носителя. Химически чистый кремний называется внутренним кремнием.

Кремний — жизненно важный полупроводник. Кремний — материал IV группы.На своей внешней орбите он имеет четыре валентных электрона, которые удерживаются ковалентными связями с валентными электронами четырех соседних атомов кремния. Эти валентные электроны недоступны для электричества. Итак, при O o K собственный кремний ведет себя как изолятор. Когда температура повышается, некоторые валентные электроны разрывают ковалентные связи из-за тепловой энергии. Эта вакансия в связи, вызванная выходом свободного электрона, считается дыркой. Другими словами, при любой температуре выше 0 o К некоторые из валентных электронов в полупроводниковом кристалле получают достаточно энергии, чтобы перейти в зону проводимости из зоны валентности и оставить после себя дыру в валентной зоне. Эта энергия приблизительно равна 1,2 эВ при комнатной температуре (то есть при 300, 90 · 106 — 90 · 107 К), что равно ширине запрещенной зоны кремния.

В собственном кристалле кремния количество дырок равно количеству свободных электронов. Поскольку каждый электрон, покидая ковалентную связь, создает дырку в разорванной связи. При определенной температуре всегда создаются новые пары электрон-дырка за счет получения тепловой энергии, но в то же время такое же количество пар электрон-дырка теряется из-за рекомбинации.Следовательно, при определенной температуре в определенном объеме внутреннего кремния количество электронно-дырочных пар остается неизменным. Это состояние равновесия. Следовательно, очевидно, что в состоянии равновесия концентрация свободных электронов n и концентрация дырок p равны друг другу, и это не что иное, как собственная концентрация носителей заряда (n i ). то есть n = p = n i . Атомная структура показана ниже.

Собственный кремний при 0

o K

Собственный кремний при комнатной температуре

Внешний кремний

Кремний, содержащий трехвалентные или пятивалентные атомы примеси в своем кристалле, известен как примесный кремний .

Собственный кремний можно превратить в примесный кремний, если он легирован контролируемым количеством присадок. Он легирован донорным атомом (элементы V группы), он становится полупроводником n-типа, а когда он легирован акцепторными атомами (элементы группы III), он становится полупроводником p-типа.
Пусть небольшое количество элемента группы V добавлено к собственному кристаллу кремния. Примерами элементов V группы являются фосфор (P), мышьяк (As), сурьма (Sb) и висмут (Bi). У них пять валентных электронов.Когда они вытесняют атом Si, четыре валентных электрона образуют ковалентные связи с соседними атомами, а пятый электрон, который не участвует в образовании ковалентной связи, слабо прикреплен к родительскому атому и может легко покинуть атом как свободный электрон. Энергия, необходимая кремнию для этой цели, т.е. для высвобождения пятого электрона, составляет около 0,05 эВ. Этот вид примеси называется донором, так как он вносит в кристалл кремния свободные электроны. Кремний известен как кремний n-типа или отрицательного типа, поскольку электроны являются отрицательно заряженными частицами.
Уровень энергии Ферми приближается к зоне проводимости в кремнии n-типа. Здесь количество свободных электронов увеличивается по сравнению с собственной концентрацией электронов. С другой стороны, количество дырок уменьшается по сравнению с собственной концентрацией дырок, так как существует большая вероятность рекомбинации из-за большей концентрации свободных электронов. Электроны являются основными носителями заряда.

Внешний кремний с пятивалентной примесью

Если небольшое количество элементов группы III добавляется к собственному кристаллу полупроводника, то они замещают атом кремния, элементы группы III, такие как AI, B, IN, имеют три валентных электрона.Эти три электрона создают ковалентные связи с соседними атомами, создавая дырку. Такие примесные атомы известны как акцепторы. Полупроводник, известный как полупроводник p-типа, поскольку дырка, считается положительно заряженной.

Внешний кремний с трехвалентной примесью

Уровень энергии Ферми перемещается вниз, ближе к валентной связи в полупроводниках p-типа. Здесь количество дырок увеличивается, а количество электронов уменьшается по сравнению с собственной концентрацией носителей кремния, поскольку здесь свободные электроны получают много дырок в кристалле.В полупроводниках p-типа дырки являются основными носителями заряда.

Собственная концентрация носителей кремния

Когда электрон перескакивает из валентной зоны в зону проводимости из-за теплового возбуждения, свободные носители создаются в обеих зонах, которые являются электронами в зоне проводимости и дырками в валентной зоне. Концентрация этих носителей известна как собственная концентрация носителей. Практически в чистом или собственном кристалле кремния количество дырок (p) и электронов (n) равны друг другу, и они равны собственной концентрации носителей n i .Следовательно, n = p = n i
No. этих носителей зависит от ширины запрещенной зоны. Для кремния ширина запрещенной зоны составляет 1,2 эВ при 298, 90 · 106 o 90 · 107 К. Собственная концентрация носителей в кремнии увеличивается с повышением температуры. Концентрация собственных носителей в кремнии определяется выражением,

Здесь T = температура в абсолютной шкале
. Собственная концентрация носителей при 300 o K составляет 1,01 × 10 10 см -3 . Но ранее принятое значение — 1.5 × 10 10 см -3 .

Собственная и внешняя проводимость | ТН Электро

Собственная проводимость
Если полупроводниковый материал охладить до температуры -273 ° C (0 K), полупроводниковый материал не сможет проводить электричество, это связано с отсутствием содержащихся свободных электронов. по материалу. Таким образом сушу -273 ° C, полупроводниковый материал в islator. Когда полупроводниковый материал с температурой -273– ° C, нагревается до температуры 0–90–106 °, 90–107 ° C, тогда полупроводниковый материал может проводить электрический ток.

Полупроводниковый материал с типом проводимости (ρ) растет экспоненциально (квадратично) с ростом температуры. Почему при нагревании (нагреве) можно сделать полупроводниковый материал проводящим? Когда кристалл нагревается, атомы кристалла не будут молчать, а будут двигаться во всех направлениях. В результате атомные связи связанных электронов (валентных электронов) расходятся, поэтому он превратился в свободный электрон.

Свободных электронов становится все больше и больше, так что проводимость материалов семикондукор также увеличивается.Из явления можно выделить то, что проводимость полупроводниковых материалов изменяется в зависимости от температуры.

Внешняя проводимость
Электронные компоненты, такие как диоды и транзисторы, изготовленные из полупроводниковых материалов. Например, диод изготовлен из двух типов полупроводниковых материалов типа P и типа N

Рис. 2.3 Структура кристаллического атома кремния

Таким образом, чтобы проводимость полупроводниковых материалов для электронных компонентов не зависела от температуры (собственная проводимость), затем выбрали другой путь, а именно смешивание кристаллического другого атома с атомом кристаллического полупроводникового материала.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *