Электропроводность полупроводников.

Лекция 1.

Электропроводность – характеризует свойства материалов проводить электрический ток. Количественно она оценивается:

1) Удельной проводимостью вещества,

2) Концентрацией свободных носителей заряда (n).

В зависимости от способности материалов проводить электрический ток они делятся на три вида:

- диэлектрики.(n≈10^-²) эл/см³

- полупроводники.10¹²<n<10¹⁶ эл/см³

- проводники(n≈10¹⁹эл/см³).

Диэлектрики - вещества, которые практически не проводят электрический ток. Проводники – вещества, хорошо проводящие электрический ток. Полупроводники – вещества, нечто среднее между проводниками и изоляторами. Структура полупроводника напоминает кристаллическую решётку алмаза. Полупроводник имеет жёсткую структуру за счёт ковалентных связей между атомами. Важнейшим свойством полупроводников является сильная зависимость их проводимости от температуры окружающей среды, светового потока (Φ), примесей, ионизирующего облучения. Для создания полупроводниковых приборов используют следующие полупроводники:

1) 4-валентная группа (Ge(гелий), Si(кремний), AsGa(арсенид галия)),

2) 3-валентная группа (Al(алюминий),B(бор),In(индий)),

3) 5-валентная группа (P(фосфор), As(мышьяк), Sb(сурьма))

Все полупроводники можно разделить на две группы:

1) Чистые, (собственные, беспримесные) или полупроводники i–типа. (Вещества, состоящие из атома одного сорта)

2) Примесные полупроводники. (Часть атомов одного сорта заменена на атомы другого сорта)

Собственные полупроводники:

Атомы полупроводников располагаются в пространстве в строго определенном порядке, образуя кристаллическую решетку, которая возникает за счет обобществления атомами электронов соседнего атома (ковалентная связь).

Рассмотрим плоскую модель 4-валентного полупроводника. В чистом полупроводнике, при температуре абсолютного нуля (Т=0 (по Кельвину)), все электроны уходят на образование ковалентной связи, свободных электронов нет, следовательно, полупроводник - диэлектрик. При повышении температуры электроны приобретают дополнительную энергию, и некоторые из них покидают свои ковалентные связи, становясь свободными. В результате образуются два носителя свободного заряда: электрон (отрицательный заряд) и то место, которое он покинул – дырка (вакансия). Дырка имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона. (Рис 1). Итак, при повышении температуры, в полупроводнике появляются свободные носители зарядов, причем концентрация электронов в чистом полупроводнике равна концентрации дырок: n_i=p_i. Процесс образования свободного электрона и дырки называется генерацией электронно-дырочной пары. При движении электронов по объёму кристаллической решётки некоторые из них могут занимать место дырки. При этом электрон и дырка уничтожаются – это рекомбинация электронно-дырочной пары.

В полупроводниках i-типа n_i=p_i.

,

где А – постоянный размерный коэффициент, К – постоянная Больцмана, Т – температура по Кельвину, ∆E_д0 – ширина запрещенной зоны – такая энергия, которую должен приобрести электрон, чтобы стать свободным.

∆E_д0 равна:

1) 0,8 эВ для Ge

2) 1,1 эВ для Si

3) 1,4 эВ для AsGa.

Примесные полупроводники:

Чистые полупроводники почти не используются, так как их проводимость сильно зависит от температуры. Их удобно использовать при создании термодатчиков. Для создания полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Процесс введения примесей в полупроводник называется легированием, а примесные полупроводники – легированными. В зависимости от характера введенной примеси различают два типа примесных полупроводников: n-типа и p-типа.