Собственные и примесные полупроводники,типы носителей заряда. Собственная проводимость.

Свободными носителями заряда в полупроводниках как правило, являются электроны, возникающие в результате ионизации атомов самого полупроводника (собственная проводимость) или атома примеси (примесная проводимость). В некоторых полупроводниках носителями заряда могут быть ионы. На рисунке показана атомная модель кремния и энергетическая диаграмма собственного полупроводника, в котрором происходит процесс генерации носителей заряда. При абсолютном нуле зона проводимости пустая, как у диэлектриков, а уровни валентной зоны полностью заполнены. Под действием избыточной энергии W_o, появляющейся за счет температуры, облучения, сильных электрических полей и т.д., некоторая часть электронов валентной зоны переходит в зону проводимости. Энергия W_o в случае беспримесного полупроводника, равна ширине запрещенной зоны и называется энергией активации. В валентной зоне остается свободное энергетическое состояние, называемое дыркой, имеющей единичный положительный заряд.

При отсутствии электрического поля дырка, как и электрон, будет совершать хаотические колебания, при этом происходят и обратные переходы электронов из зоны проводимости на свободные уровни валентной зоны (рекомбинация). Эти процессы условно показаны на рисунке.

Электропроводность, возникающая под действием электрического поля за счет движения электронов и в противоположном напаравлении такого же колическства дырок, называется собственной. В удельную проводимость полупроводника дают вклад носители двух типов - электроны и дырки:

=e(n^. _n+p^. _p), где

n и _n концентрация и подвижность электронов,

p и _p концентрация и подвижность дырок.

Для собственного полупроводника концентрация носителей определяется шириной запрещенной зоны и значением температуры по уравнению Больцмана

n=const EXP(- W_o/2kT), 1/м³

то есть при 0< kT < W_o переброс через запрещенную зону возможен. В собственном полупроводнике концентрация электронов n_i равна концентрации дырок p_i, n_i = p_i, n_i + p_i = 2n_i.

Подвижность носитнелей заряда представляет скорость, приобретаемую свободными электронами или ионами в электрическом поле единичной напряженности

=V/E, м²/(В^. с)

Подвижность дырок существенно меньше, чем подвижность электронов. Подвижность электронов и дырок в некоторых полупроводниках показана в таблице.

Наибольшая подвижность была обнаружена в антимониде индия InSb и в арсениде индия InAs.

Примесная проводимость. Поставка электронов в зону проводимости и дырок в валентную зону может быть за счет примесей, котроые могут ионизоваться уже при низкой температуре. Энергия их активации значительно меньше энергии, необходимой для ионизации основных атомов вещества. Примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, занимают уровни в запретной зоне вблизи дна зоны проводимости. Они называются донорными. Приммеси, захватывающие электроны из зоны проводимости, располагаются на уровнях в запретной зоне вблизи потолка валентной зоны и называются акцепторными. На рисунке показаны энергетические диаграммы полупроводника, содержащего донорные и акцепторные примеси.

Примеси с энергией W_o<0.1 эВ являются оптимальными. Их относят к "мелким" примесям. Мелкие уровни определяют электропроводность полупроводников в диапазоне температур 200-400 К, "глубокие" примеси ионизуются при повышенных температурах. Глубокие примеси, влияя на процессы рекомбинации, определяют фотоэлектрические свойства полупроводников. С помощью глубоких примесей можно компенсировать мелкие

и получить материал с высоким удельным сопротивлением. Например, глубокими акцепторами можно полностью компенсировать влияние мелких донорных примесей.

В примесном полупроводнике взаимосвязь между количеством электронов и дырок подчиняется закону действующих масс n^. p=n_i², где n_i собственная концентрация. Таким образом, чем больше вводится электронов, тем меньше концентрация дырок. На рисунке на энергетической диаграмме (по Ш.Я.Коровскому) показаны донорные и акцепторные уровни различных примесей в германии и кремнии.

Электротехнические материалы Лекции Теория конструктивных материалов Электрические цепи в постоянного и переменного тока

По строению молекул диэлектрики делят на неполярные (нейтральные) и полярные. Нейтральные диэлектрики состоят из электрически нейтральных атомов и молекул, которые до воздействия на них электрического поля не обладают электрическими свойствами. Нейтральными диэлектриками являются: полиэтилен, фторопласт-4 и др. Среди нейтральных выделяют ионные кристаллические диэлектрики (слюда, кварц и др.), в которых каждая пара ионов составляет электрически нейтральную частицу

51.Материалы, обладающие свойствами полупроводников(бинарные соединения)
SiC-карбин кремния(примен. для изготовлен. полупровод-х приборов работающих при температуре >700 градусов,примен. для ихготовлен. вентильных приборов)
GaAs-арсенид галлия(отличается большой запрещенной зоной,что разв. его исп-ть при высоких температурах и высокой частоты)
Тпл=1237 градусов цельсия
дельта Е=1,43 эВ
=0,85 /В*с
=0,043 /В*с
InSb-антимонид индия(примен. для изготовлен. термоэл. генераторов в холодильниках, оптических фильтров, высокочувствительных фотоэлементов)
Тпл=525 градусов цельсия
дельта Е=0,17 эВ
=3,3 /В*с
=0,046 /В*с
GaP-фафид галлия (примен. для иготовлен. светодиодов высокой чувствительности)
Тпл=1500 градусов цельсия
дельта Е=2,25 эВ
=0,011 /В*с
=0,0075 /В*с

52.Методы определения типа электропороводности полупроводников.Метод Холла.

Среди халькогенидов цинка,свинца наиболее часто применяются селениды,телуриды, сульфиды. Имеют высокую температуру плавления. Получают путем кристаллизации. Применяются для изготовления фоторез., ламинофоров., высокочувствительных датчиков Холла.
Халькогениды свинца (PbS, PbTe, PbSe) получают охлаждением монокристала из газовой фазы или выращиванием из расплава, применяется для изготовления териогенераторов, инфракрасных лазеров, фоторезисторов.
В простейшем рассмотрении эффект Холла выглядит следующим образом. Пусть через металлический брус в слабом магнитном поле течёт электрический ток под действием напряжённости . Магнитное поле будет отклонять носители заряда (для определённости электроны) от их движения вдоль или против электрического поля к одной из граней бруса. При этом критерием малости^[1] будет служить условие, что при этом электрон не начнёт двигаться по циклоиде.