Строение полупроводников

Конспект на тему: Полупроводники

Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

 

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых  составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

Строение  полупроводников (на примере Кремния)

Кремний – четырехвалентный элемент, во внешней оболочке – четыре  электрона. Каждый атом связан с четырьмя соседними

 

Каждая пара соседних атомов взаимодействует  с помощью парноэлектронной связи. От каждого атома  в ее образовании  участвует  один электрон. Парноэлектронные связи достаточно прочны и при низких температурах не  разрываются, поэтому  при низких температурах кремний не проводит ток. Любой валентный электрон   может двигаться  по любой из  четырех связей  атома, а , дойдя до  соседнего,  двигаться по его связям, т.е по всему кристаллу.

 

Собственная электрическая проводимость

Полупроводники, в которых свободные  электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок». Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:

где   — удельное сопротивление,   — подвижность электронов,   — подвижность дырок,   — их концентрация, q — элементарный электрический заряд (1,602·10⁻¹⁹ Кл).

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула принимает вид:

При повышении температуры  отдельные связи разрываются,  электроны

становятся «свободными», в электрическом поле они перемещаются

упорядоченно, образуя ток. При увеличении температуры от 300  К  до  700 К их  число возрастает в 10⁷ раз.

При разрыве связи образуется вакантное место, которое называют дыркой. В  дырке имеется избыточный положительный заряд.

 

Примесная проводимость полупроводников

Примесная проводимость полупроводников — электрическая проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике донорных или акцепторных примесей.

Примесная проводимость, как правило, намного превышает собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников определяются типом и количеством введенных в него легирующих примесей.

Собственная проводимость полупроводников  обычно невелика, так как число  свободных электронов, например, в  германии при комнатной температуре порядка 3·1013 / куб.см. В то же время число атомов германия в 1 куб.см ~ 1023. Проводимость полупроводников увеличивается с введением примесей, когда наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная примесная проводимость.

Примесной проводимостью полупроводников  называется проводимость, обусловленная  наличием примесей в полупроводнике.

Примесными центрами могут быть:

• атомы или ионы химических элементов, внедренные в решетку полупроводника;
• избыточные атомы или ионы, внедренные в междоузлия решетки;
• различного рода другие дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, трещины, сдвиги, возникающие при деформациях кристаллов, и др.

Изменяя концентрацию примесей, можно  значительно увеличивать число  носителей зарядов того или иного  знака и создавать полупроводники с преимущественной концентрацией  либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.

Примеси можно разделить на донорные (отдающие) и акцепторные (принимающие).

 

Донорные  примеси

Донорные примеси ( отдающие ) - являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике. 
Это проводники " n " - типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда - электроны, а неосновной - дырки. 
Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью. 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим механизм электропроводности полупроводника с донорной пятивалентной  примесью мышьяка As⁵⁺, которую вводят в кристалл, например, кремния. Пятивалентный атом мышьяка отдает четыре валентных электрона на образование ковалентных связей, а пятый электрон оказывается незанятым в этих связях.

 

Акцепторные примеси

Акцепторные примеси ( принимающие )- создают "дырки" , забирая в себя электроны. 
Это полупроводники " p "- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда - дырки, а неосновной - электроны. 
Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью.

 
 
 

В случае акцепторной примеси, например, трехвалентного индия In³⁺ атом примеси может дать свои три электрона для осуществления ковалентной связи только с тремя соседними атомами кремния, а одного электрона «недостает». Один из электронов соседних атомов кремния может заполнить эту связь, тогда атом In станет неподвижным отрицательным ионом, а на месте ушедшего от одного из атомов кремния электрона образуется дырка.

Акцепторные примеси, захватывая электроны и создавая тем самым  подвижные дырки, не увеличивают  при этом числа электронов проводимости. Основные носители заряда в полупроводнике с акцепторной примесью — дырки, а неосновные — электроны.