Intrinzična i nečistoća provodljivost poluprovodnika. Intrinzična i nečista provodljivost poluvodiča: karakteristike Što se naziva intrinzična provodljivost poluvodiča

§ 3 Intrinzična provodljivost poluprovodnika

• Unutrašnja struktura poluprovodnika.

Poluvodiči uključuju veliki broj tvari koje po svojim električnim svojstvima zauzimaju međupoložaj između vodiča i dielektrika. Za poluprovodnike j=1 2¸ 1 0 - 8 Cm/m (j - električna provodljivost). Za provodnike j = 1 4¸ 1 0 3 cm/m; za dielektrike j< 10 -12 Sm/m. Najvažnije svojstvo i karakteristika poluprovodnika je zavisnost njihovih električnih svojstava od spoljašnjih uslova. T, E, R itd. Karakteristična karakteristika poluprovodnika je da njihova otpornost opada sa porastom temperature. Poluprovodnici su okarakterisani kristalno struktura sa kovalentnom vezom između atoma.

• Intrinzična provodljivost poluprovodnika.

Pod uticajem spoljašnjih faktora, neki valentni elektroni atoma dobijaju energiju dovoljnu da ih oslobode kovalentnih veza.

Izlaz iz kovalentne veze elektrona na energetskom dijagramu odgovara prijelazu iz valentnog pojasa u pojas provodljivosti. Kada se elektron oslobodi kovalentne veze, u potonjoj se pojavljuje neka vrsta slobodnog prostora, koji ima elementarni pozitivni naboj jednak po apsolutnoj vrijednosti naboju elektrona. Takvo mjesto napušteno u elektronskoj komunikaciji konvencionalno se nazivalo rupa a proces formiranja para se naziva stvaranje naboja. Rupa, koja ima pozitivan naboj, vezuje za sebe elektron iz susjedne ispunjene kovalentne veze. Kao rezultat jedna veza je obnovljena(ovaj proces se zove rekombinacija) I uništava susjedni. Tada možemo govoriti o kretanju pozitivnog naboja - rupe u kristalu. Ako na kristal djeluje električno polje, kretanje elektrona i rupa postaje uređeno i u kristalu se pojavljuje električna struja. U ovom slučaju, provodljivost rupa se naziva provodljivost. R-tip ( pozitivno - pozitivna) i elektronska provodljivostn-tip (negativan - negativan).

U hemijski čistom poluvodičkom kristalu (broj nečistoća je 10 16 m -3) broj rupa je uvijek jednak broju slobodnih elektrona i električna struja u njemu nastaje kao rezultat istovremenog prijenosa naboja oba znaka. Ova provodljivost elektron-rupa se zove intrinzična provodljivost poluprovodnika.

j = j n+ j str

jje gustina elektronske struje (n) i rupe ( R).

U intrinzičnom poluprovodniku, Fermijev nivo je u sredini pojasa. Jer aktivaciona energija, jednak razmaku pojasa, ide do prelaska elektrona sa gornjeg nivoa valentnog pojasa na donji nivo provodljivog pojasa i, istovremeno, do pojave rupe u valentnom pojasu. One. energija utrošena na formiranje para nosilaca struje dijeli se na dva jednaka dijela, pa bi referentna točka za svaki od ovih procesa (prijelaz elektrona u stvaranje rupe) trebala biti u sredini pojasa jaz.

Broj elektrona prebačenih u provodni pojas i broj formiranih rupa~

dakle, specifična provodljivost intrinzičnih poluprovodnika

γ je konstanta određena vrstom supstance.

One. s povećanjem T, γ raste, jer se sa stanovišta teorije pojasa povećava broj elektrona, koji, kao rezultat toplinske pobude, prelaze u provodni pojas.

,

one.

Nagib linije ln γ može se odrediti jaz u pojasu D E.

§ 4 Nečistoća provodljivosti poluprovodnika

U poluvodičima koji sadrže nečistoću, električna provodljivost je zbir unutrašnjeg i nečistoća.

Provodljivost, uzrokovano prisustvom u poluvodičkom kristalu nečistoća iz atoma s različita valencija pozvao nečistoća. Nečistoće koje uzrokuju povećanje slobodnih elektrona u poluvodiču nazivaju se donator, i uzrokuje povećanje rupa - akceptor.

Različito djelovanje atoma nečistoća objašnjava se na sljedeći način. Pretpostavimo da je u kristalu germanijuma ( Ge 4+ ) čiji atomi imaju 4 valentna elektrona, uvodimo petovalentni arsen AS 5+ . U ovom slučaju, atomi arsena sa svojim 4. od pet valentnih elektrona ulaze u vezu. 5. valentni elektron arsena će biti nevezan, tj. postaje slobodni elektron. Poluvodič čija se električna provodljivost povećala zbog stvaranja viška slobodnih elektrona kada se unese nečistoća naziva se poluvodiči s elektronskom provodljivošću. (poluprovodnik n -vrsta),A donor nečistoća (doniranje elektrona).

Uvod u 4-valentni poluvodič i 3-valentni element, na primjer ( U 3+ ) indijum dovodi, naprotiv, do viška rupa u odnosu na slobodne elektrone. U ovom slučaju, kovalentne veze neće biti potpuno završene i formirane rupe se mogu kretati kroz kristal, stvarajući provodljivost rupa. Poluvodiči, čija je električna provodljivost uglavnom posljedica pomicanja rupa, nazivaju se poluvodiči s vodljivošću rupa ili poluvodiči. R-vrsta i nečistoća - akceptor (uzbudljivo elektron iz kovalentne veze ili iz valentnog pojasa). Energetski nivoi ovih nečistoća se nazivaju nivoi akceptora nalazi se iznad valentnog pojasa.

Energetski nivoi donorskih nečistoća se nazivaju nivoi donatora nalaze se ispod donjeg nivoa provodnog pojasa.

U dopiranim poluprovodnicima nosioci naboja su main(elektroni u provodnikun-tip) i nije osnovno(rupe u poluprovodniku R-tip, elektroni u poluprovodnikun-tip).

Prisustvo nivoa nečistoća u poluprovodnicima značajno menja položaj Fermijevog nivoa E F . u poluprovodnikun-ukucajte na T= 0 K E F nalazi se u sredini između dna provodnog pojasa i nivoa donora. Sa povećanjem T sve veći broj elektrona prelazi sa donorskog nivoa u provodni pojas, ali zbog termičke pobude neki od elektrona iz valentnog pojasa prelaze u provodni pojas. Dakle, sa povećanjem T nivo Fermija se pomiče do sredine pojasa.

Poluprovodnici R-ukucajte na T = 0 TO,E F u sredini između nivoa akceptora i vrha valentnog pojasa. Sa povećanjem T E F pomiče se na sredinu pojasa.

Temperaturna zavisnost provodljivosti poluprovodnika ima oblik prikazan na slici (za više detalja vidi laboratorijski rad 8.6.).

Poluprovodnici- materijali, koji po svojoj specifičnoj vodljivosti zauzimaju međupoziciju između provodnika i dielektrika. U prirodi postoje u obliku elemenata (4,5,6 grupa), na primjer Si, Ge, As, Se, i hemijskih spojeva sulfida, oksida itd.

Razlikovati sopstveno (čisto) i nečistoće poluprovodnici.

Pri zagrevanju na temperaturu T > 0 K, kao i osvetljenjem ili zračenjem, elektronske (kovalentne) veze mogu da puknu, što dovodi do stvaranja slobodnih elektrona.Na mestu prekida kovalentne veze, slobodno mesto za elektron pojavljuje se - rupa, koja odgovara pozitivnom naboju. Rupu mogu zauzeti ili elektroni susjednih kovalentnih veza ili slobodni elektron. Kao rezultat toga, počinje se kretati kroz kristal. S povećanjem temperature povećava se broj slobodnih elektrona (pokida se više veza) i, shodno tome, rupa.

Kada se u takvom poluprovodniku stvori električno polje uključivanjem u strujni krug, doći će do usmjerenog kretanja elektrona i rupa, odnosno teći će električna struja.

Dakle, u čistim poluprovodnicima, pod normalnim uslovima, uvek postoji jednak broj slobodnih elektrona i rupa, koji određuju intrinzična električna provodljivost poluprovodnika. Intrinzična provodljivost - provodljivost intrinzičnih (čistih) poluprovodnika (Ge, Se, GaAs).

Sa tačke gledišta kvantna (pojasna) teorija poluprovodnici imaju, pored valentnog pojasa (I) i pojasa provodljivosti (3). pojas (2), čije energetske vrijednosti elektroni ne mogu imati.

Pri T = 0 K, valentni pojas je potpuno ispunjen elektronima i pojasom , je mali, energetski nivoi provodnog pojasa su slobodni. Ako elektroni primaju energiju kada se poluvodič zagrije ili energiju elektromagnetnog polja , kada su ozračeni svetlošću ili radioaktivnim zračenjem, elektroni mogu da uđu u provodni pojas (slika 3) postajući slobodni. U tom slučaju se pojavljuju rupe u valentnom pojasu.Poluvodič je sposoban da provodi struju čiji će nosioci biti elektroni i rupe. Ne postoje kontradikcije između klasičnih i kvantnih koncepata.

Dakle, intrinzična struja provodljivosti poluvodiča je zbir struje elektrona i rupa.

Nečistoća provodljivosti poluprovodnika

U zavisnosti od prirode nečistoće, provodljivost nečistoće može biti dva tipa: n-tip - elektronski, p-tip - rupa. n-tip provodljivosti nastaje u slučaju kada je glavni poluvodič (na primjer, silicijum ) dodaje se mala količina nečistoće visoke valencije (na primjer, arsena). Tada, kada se konstruiše kristalna rešetka, atom nečistoće će imati dodatni elektron. Elektroni nečistoće će biti dodati elektronima unutrašnje provodljivosti. Ali iz tog razloga, koncentracija elektrona će biti mnogo veća od koncentracije rupa. Glavni nosioci struje bit će elektroni (ima ih mnogo), a manji će biti rupe (malo ih je). Takva provodljivost nečistoćeg poluvodiča naziva se n-tip (elektronska), budući da je nečistoća donator (dobavljač) elektrona. U slučaju kada nečistoća ima nižu valenciju od glavnog poluprovodnika (na primjer, silicijum si) sa borom B, tada će prilikom konstruiranja rešetke atomima bora nedostajati jedan elektron. Pojavit će se nepopunjena rupa. U poluprovodniku sa nečistoćama koncentracija rupa će biti mnogo veća od koncentracije elektrona. Ova vrsta provodljivosti nečistoća se naziva p-tip (rupa), budući da je nečistoća sakupljač (akceptor) elektrona. Prisustvo čak i male količine nečistoće povećava provodljivost poluprovodnika milione puta, tako da struju u poluprovodniku sa nečistoćom formiraju uglavnom ili elektroni ili rupe.

Kvantna teorija objašnjava nastanak nečistoća poluprovodnika različitim pozicijama energetskih nivoa donora i akceptora (nečistoće) u odnosu na valentni pojas (1) provodljivosti (3) u poluvodičkom kristalu. Nivoi energije donatora su blizu do nivoa provodnog pojasa. Elektroni lako prolaze u njega bez stvaranja rupa u valentnom pojasu. Glavni nosioci će biti elektroni (n-tip). Energetski nivoi akceptora leže bliže valentnom pojasu, tako da je lako da se elektroni valentnog pojasa pomeraju iz njega, stvarajući rupe u njemu. Glavni nosioci će biti rupe (p-tip provodljivosti).

Semiconductor Diodes

Svaki poluvodički uređaj ima jedan ili više spojeva elektron-rupa. Spoj elektron-rupa (ili n-p-spoj) je područje kontakta između dva poluvodiča s različitim tipovima provodljivosti. Kada dva poluvodiča n- i p-tipa dođu u kontakt, počinje proces difuzije: rupe iz p-područja idu u n-područje, a elektroni, naprotiv, iz n-područja u p-područje. Kao rezultat, koncentracija elektrona opada u n-području blizu kontaktne zone i pojavljuje se pozitivno nabijeni sloj. U p-području, koncentracija rupa se smanjuje i pojavljuje se negativno nabijeni sloj. Tako se na granici poluprovodnika formira dvostruki električni sloj, čije polje sprečava proces difuzije elektrona i rupa jedna prema drugoj (slika 1.14.1). Granično područje između poluvodiča s različitim tipovima vodljivosti (tzv. sloj barijere) obično dostiže debljinu reda desetina i stotina međuatomskih udaljenosti. Prostorni naboji ovog sloja stvaraju blokirajući napon između p- i n-područja U c

n–p spoj ima zadivljujuću osobinu jednosmjerne provodljivosti.

Formiranje sloja barijere na kontaktu poluprovodnika p- i n-tipa

Ako se poluvodič s n-p spojem spoji na izvor struje tako da je pozitivni pol izvora spojen na n-područje, a negativni pol na p-područje, tada se povećava jačina polja u sloju koji blokira. Rupe u p-području i elektroni u n-području bit će pomjerene sa n-p spoja, čime će se povećati koncentracija manjinskih nosilaca u sloju barijere. Kroz n–p spoj praktički nema struje. Napon primijenjen na n-p spoj u ovom slučaju naziva se reverzni. Vrlo mala reverzna struja je posljedica samo intrinzične provodljivosti poluvodičkih materijala, tj. prisutnosti male koncentracije slobodnih elektrona u p-području i rupa u n-području.

Ako je n–p spoj spojen na izvor tako da je pozitivni pol izvora spojen na p regiju, a negativni pol na n regiju, tada će se jačina električnog polja u blokirajućem sloju smanjiti, što olakšava prelaz glavnih nosilaca kroz kontaktni sloj. Rupe iz p-područja i elektroni iz n-područja, krećući se jedni prema drugima, preći će n-p-spoj, stvarajući struju u smjeru naprijed. Struja kroz n–p spoj u ovom slučaju će se povećavati s povećanjem napona izvora.

Sposobnost n-p spoja da propušta struju u gotovo samo jednom smjeru koristi se u uređajima tzv poluvodičke diode. Poluvodičke diode se izrađuju od kristala silicija ili germanija. Prilikom njihove proizvodnje, nečistoća se topi u kristal sa određenom vrstom provodljivosti, što daje drugu vrstu provodljivosti.

Poluvodičke diode se koriste u ispravljačima za pretvaranje AC u DC.

Električna provodljivost itd-prijelaz je u velikoj mjeri ovisan o temperaturi, tako da se inverzna struja povećava s povećanjem temperature:

Dakle, n-p spoj ima jednostranu električnu provodljivost. Ovo je njegova glavna imovina koja se stavlja osnova uređaja i princip rada poluvodičke diode.

Dioda je spoj elektron-rupa, zaštićen od svjetlosti i elektromagnetnog zračenja metalnim kućištem i ima hladnjak za stabilizaciju temperature.

Prednosti: visoka efikasnost (98%), dug radni vijek, snaga.

Protiv: ovisnost o temperaturi.

Provodljivost hemijski čistih poluprovodnika se naziva vlastito vođenje, a sami poluprovodnici su sopstveni poluprovodnici.U čistom poluprovodniku, broj slobodnih elektrona i rupa je isti. Pod djelovanjem napona primijenjenog na poluvodič, brzina usmjerenog kretanja slobodnih elektrona u njemu veća je od brzine rupa. Zbog toga je jačina struje elektronske provodljivosti I e veća od jačine struje provodljivosti rupa I d. Ukupna struja u poluprovodniku I \u003d I e + I d.

Intrinzična provodljivost poluprovodnika raste sa porastom temperature. Na konstantnoj temperaturi, dinamička ravnoteža se uspostavlja između procesa formiranja rupa i rekombinacije elektrona i rupa. Pod ovim uslovom, broj provodnih elektrona i rupa po jedinici zapremine ostaje konstantan.

Na provodljivost poluprovodnika u velikoj meri utiče prisustvo nečistoća u njima. Kada se određene nečistoće unesu u poluvodič, može se dobiti relativno veliki broj slobodnih elektrona sa malim brojem "rupa" ili, obrnuto, velikim brojem "rupa" sa vrlo malim brojem slobodnih elektrona. Provodljivost provodnika zbog nečistoća naziva se provodljivost nečistoća, a sami poluprovodnici su poluprovodnici nečistoće. Nečistoće koje lako doniraju svoje elektrone osnovnom poluprovodniku i, posljedično, povećavaju broj slobodnih elektrona u njemu, nazivaju se donator(doniranje) nečistoća. Kao takve nečistoće koriste se elementi čiji atomi imaju veći broj valentnih elektrona od atoma glavnog poluprovodnika. Dakle, u odnosu na germanijum, nečistoće arsena i antimona su donori.

Da bi se dobile nečistoće arsena u germaniju, one se miješaju i tope. Germanijum je četvorovalentni element. Arsen je petovalentan. Kada se stvrdne na mjestu kristalne rešetke germanija, atom germanija se zamjenjuje atomom arsena. Elektroni potonjeg formiraju jake kovalentne veze sa četiri susjedna atoma germanija (slika 102, a). Preostali peti valentni elektron arsena, koji nije uključen u par-elektron veze, nastavlja da se kreće oko atoma arsena. Zbog činjenice da je dielektrična konstanta germanija ε = 16, sila privlačenja elektrona na jezgro se smanjuje, dimenzije elektronske orbite se povećavaju za 16 puta; njegova energija vezivanja sa atomom se smanjuje za faktor 256 (tj. za ε 2 puta), a energija toplotnog kretanja postaje dovoljna da se ovaj elektron odvoji od atoma. Počinje se slobodno kretati u rešetki germanija, pretvarajući se tako u elektron provodljivosti.

Atom arsena, koji se nalazi na mjestu kristalne rešetke germanija, izgubivši elektron, postaje pozitivan ion.

Čvrsto je vezan za kristalnu rešetku germanijuma, stoga ne učestvuje u formiranju struje.

Energija potrebna za prijenos elektrona iz valentnog pojasa u pojas provodljivosti (vidi sliku 96) naziva se aktivaciona energija. Za nečistoće nosioca struje, obično je mnogo puta manja nego za nosioce struje glavnog poluvodiča. Stoga se uz lagano zagrijavanje, osvjetljenje oslobađaju uglavnom elektroni atoma nečistoća. Na mjestu otpuštenog elektrona u atomu donora formira se rupa. Međutim, skoro da nema kretanja elektrona u rupe, odnosno dodatna provodljivost rupa koju stvara donor je vrlo mala. Ovo se objašnjava na sljedeći način. Zbog malog broja atoma nečistoća, njegovi elektroni provodljivosti rijetko su blizu rupe i ne mogu je ispuniti. A elektroni atoma glavnog poluprovodnika, iako su blizu rupa, nisu u stanju da ih zauzmu zbog njihovog mnogo nižeg energetskog nivoa.

Mali dodatak donorske nečistoće čini broj slobodnih elektrona provodljivosti hiljadama puta veći od broja slobodnih elektrona provodljivosti u čistom poluprovodniku pod istim uslovima. U poluprovodniku sa nečistoćom donora, elektroni su glavni nosioci naboja. poluvodiči n-tipa.

Nečistoće koje hvataju elektrone iz glavnog poluprovodnika i stoga povećavaju broj rupa u njemu nazivaju se akceptor(domaćin) nečistoće. Kao takve nečistoće koriste se elementi čiji atomi imaju manji broj valentnih elektrona od atoma glavnog poluvodiča. Dakle, u odnosu na germanijum, primese indija i aluminijuma su akceptor.

Da bi se dobile nečistoće indija u germaniju, one se miješaju i tope. Germanijum je četvorovalentni element. Indijum je trovalentan. Za formiranje kovalentnih veza sa četiri najbliža susedna atoma germanijuma, atomu indija nedostaje jedan elektron. Indijum ga pozajmljuje od atoma germanijuma (slika 102, b). Da bi se to postiglo, elektroni atoma germanija se zagrijavanjem opskrbljuju energijom dovoljnom samo za prekid kovalentne veze, nakon čega se oslobođeni elektroni hvataju od strane atoma indija. Pošto nisu slobodni, ovi elektroni ne učestvuju u formiranju struje. Atomi indija postaju negativni ioni, čvrsto su vezani za kristalnu rešetku germanija, stoga ne sudjeluju u formiranju struje.

Na mjestu elektrona koji je napustio atom germanija formira se rupa koja je slobodni nosilac pozitivnog naboja. Ova rupa može biti popunjena elektronom A iz susjednog atoma germanija, itd. U poluprovodniku sa akceptorskom nečistoćom, rupe su glavni nosioci naboja. Takvi poluprovodnici se nazivaju poluvodiči p-tipa.

Dakle, za razliku od intrinzične provodljivosti, koju istovremeno provode elektroni i rupe, provodljivost nečistoća poluprovodnika uglavnom je posljedica nosilaca istog predznaka: elektrona u slučaju donorske nečistoće i rupa u slučaju akceptorne nečistoće. Ovi nosioci naboja u poluprovodniku nečistoće su glavni. Pored njih, takav poluvodič sadrži manjinske nosioce: u elektronskom poluprovodniku - rupe, u poluprovodniku rupe - elektrone. Njihova koncentracija je mnogo manja od koncentracije glavnih nosača.

Vlastita provodljivost

Razmotrite kvantnu teoriju provodljivosti različitih supstanci. Prisjetite se toga provodljivost naziva se sposobnost nosilaca naboja da izvode usmjereno kretanje prema primijenjenom električnom polju (nosioci negativnog naboja prema polju, pozitivnog naboja - duž polja). U slučaju poluprovodničkih supstanci, moguće su dvije vrste provodljivosti, ovisno o čistoći kemijskog sastava tvari.

Razlikovati vlastiti I nečistoća poluprovodnici. Među intrinzičnim su kemijski čisti poluvodiči, odnosno takvi poluvodiči, koji uključuju atome (ili molekule) samo jedne vrste i nema stranih inkluzija. Samo u takvim poluprovodnicima vlastitu provodljivost.

Intrinzična provodljivost nastaje kada elektroni prelaze iz gornjih nivoa valentnog pojasa u pojas provodljivosti ako dobiju dodatnu dovoljnu energiju, koja je jednaka (ili nešto veća od) pojasnog pojasa Npr. Ovu energiju, kao što je već spomenuto u predavanju 9, može dobiti elektron kao rezultat termičkih vibracija rešetke ili pod djelovanjem svjetlosnog kvanta hν.

Rice. 12.1. Intrinzična provodljivost poluprovodnika

Budući da je energija toplinskih vibracija, u pravilu, mnogo manja od energije svjetlosnog kvanta, koja energija će izazvati pojavu provodljivosti ovisi o pojasu pojasa kristala. Prelazak elektrona u provodni pojas odgovara stvaranju dvije slobodne čestice: elektron čija je energija jednaka jednoj od dozvoljenih vrijednosti iz vodljivog pojasa, kao i rupa čija je energija jednaka jednoj od vrijednosti valentnog pojasa. Ove čestice su nosioci struje, a i elektroni i rupe doprinose provodljivosti. Ako primijenite razliku potencijala na takav kristal, i elektroni i rupe mogu se kretati duž cijelog uzorka. O ovom fenomenu je već bilo reči u drugom predavanju, zove se unutrašnji fotoelektrični efekat.

Možete pronaći električnu provodljivost date supstance. Za ovo koristimo distribuciju energije elektrona i rupa (vidi Odjeljak 10). Pošto su elektroni i rupe fermioni, tj. čestice sa polucijelim spinom, što znači da se pridržavaju Fermi-Diracove statistike:

(12.1)

Parametar E F se zove Fermi energija. Fermi nivo je virtuelni nivo koji odgovara sredini između svih zauzetih i svih slobodnih stanja, pod uslovom da postoji isti broj oba. U idealnom slučaju, svi slobodni nivoi se nalaze iznad Fermijevog nivoa, svi zauzeti nivoi su ispod. Međutim, u stvarnim kristalima, slobodni nivo može biti ispod Fermijevog nivoa ako postoji nivo koji je zauzet elektronom iznad Fermijevog nivoa. Za metale, nivo Fermija je u pojasu provodljivosti. Za intrinzične (tj. čiste) poluvodiče, Fermijeva energija na sobnoj temperaturi odgovara približno sredini pojasnog pojasa, dakle:

(12.2)

Gdje Npr je jaz u pojasu.

Broj elektrona prebačenih u pojas provodljivosti (kao i rupa preostalih u valentnom pojasu) bit će proporcionalan vjerovatnoći da elektron ima odgovarajuću energiju:

Vodljivost očito ovisi o broju slobodnih nosilaca struje, odnosno također se ispostavlja da je proporcionalna funkciji f(E):

(12.4)

ili (12.5)

Može se vidjeti da električna provodljivost intrinzičnih poluvodiča raste eksponencijalno s temperaturom (slika 12.2). Mjerenjem električne provodljivosti poluvodiča na različitim temperaturama može se odrediti zaporni razmak. U polulogaritamskim koordinatama (kao na slici 12.2), nagib prave će biti proporcionalan Npr.

Rice. 12.2. Ovisnost električne provodljivosti

vlastiti poluvodič na temperaturi

Podsjetimo da se električna provodljivost metala linearno smanjuje s povećanjem temperature. Ova razlika se objašnjava činjenicom da je priroda vodljivosti u poluvodičima i metalima bitno različita.

Provodljivost nečistoća

Električna i optička svojstva dopiranih poluprovodnika ovise o prirodnim ili umjetno unesenim nečistoćama. Naravno, da bi se efektivno kontrolisala svojstva materijala, neophodna je stroga kontrola količine nečistoće u sastavu supstance; takvo kontrolisano unošenje nečistoće se naziva doping. Stvaranje određene koncentracije nečistoće je prilično kompliciran, ali izvodljiv zadatak. Treba razumjeti da neke tvari neizbježno sadrže određenu količinu prirodnih nečistoća. U takvim slučajevima, njegov uticaj na optička i električna svojstva materijala mora se proučiti i naknadno uzeti u obzir.

Razmotrimo mehanizam provođenja nečistoća na primjeru klasičnih poluvodiča Ge, And Si. Oba elementa su četverovalentna i atomi u kristalu su povezani kovalentnim silama. To znači da je svaki atom u rešetki okružen sa četiri ista atoma i povezan je s njima, imajući zajednički par elektrona.

Rice. 12.3. Spljoštena slika kristalne rešetke

idealan 4-valentni kristal

Ako je kristal idealan, onda su sve veze oko atoma zasićene – nemaju slobodnih mjesta, a u prostoru između atoma nema slobodnih elektrona (slika 12.3).

Pretpostavimo da je umjesto jednog od glavnih atoma u kristal ušao atom čija je valencija jedan više (atom fosfora P u kristalu Ge). 4 od 5 elektrona fosfora će biti raspoređeno između susjednih atoma germanija, a peti elektron će se zadržati u blizini zbog prilično slabe veze (slika 12.4).

Rice. 12.4. Spljoštena slika kristalne rešetke

Ge sa primesom petovalentnog fosfora

Ova veza se može lako prekinuti zagrijavanjem kristala ili njegovim osvjetljavanjem. Otrgnuti elektron će biti slobodan i, kada se primeni razlika potencijala, moći će da se kreće u odgovarajućem pravcu. Nečistoća koja kristalu dodaje slobodne elektrone naziva se donator.

Na energetskoj shemi donorske nečistoće postojat će nivo koji se nalazi na određenoj udaljenosti od dna provodnog pojasa. Udaljenost između nivoa nečistoće i provodnog pojasa je proporcionalna energiji E nečistoća, što je neophodno za odvajanje elektrona nečistoće od matičnog atoma, tj. da prebaci elektron u slobodno stanje (slika 12.6 a). Činjenica odvajanja elektrona od atoma i njegovog prijelaza u slobodno stanje znači prijelaz elektrona u provodni pojas. Nivo donora koji se oslobađa u ovom slučaju može naknadno uhvatiti bilo koji slobodni elektron neko vrijeme - to jest, viseća veza fosfora može poslužiti kao kratkoročno skladištenje elektrona.

Dakle, kao rezultat, dobijamo elektron provodljivosti, a za razliku od intrinzične provodljivosti (vidi gore), slobodna rupa se ne formira. U ovom slučaju, doprinos snimljenoj struji daće uglavnom elektroni, koji su glavni nosioci naelektrisanja u takvom poluprovodniku, a rupe sporedni. Vrsta provodljivosti u takvom kristalu naziva se elektronska ili n-tip, a sam kristal dobija status kristala sa elektronska provodljivost ili kristal n-tip.

Međutim, ako se trovalentna nečistoća unese u četverovalentni kristal, tada će jedna od četiri veze atoma koji se nalazi pored nečistoće biti nezasićena zbog odsustva 4. elektrona (slika 12.5). Takvo prazno mjesto (rupa) lako hvata elektron sa susjednog mjesta - to odgovara prijelazu rupe u slobodno stanje.

Rice. 12.5. Spljoštena slika kristalne rešetke

Si sa primesom trovalentnog bora

Kada se na kristal primeni razlika potencijala, rupa se kreće na isti način kao i elektron provodljivosti, samo u suprotnom smeru. Dakle, kristal sa primesom naznačenog tipa će imati tip rupe provodljivosti ili se zove kristal str-tip. Na energetskom dijagramu, pojava nečistoće, koja se u ovom slučaju naziva akceptor, će se odraziti pojavom nivoa u pojasu u pojasu u blizini vrha valentnog pojasa višeg za E nečistoća. Elektron će biti uhvaćen do ovog nivoa sa zauzetog nivoa u valentnom pojasu, u kojem će ostati slobodna rupa (slika 12.6 b).

Rice. 12.6. Provodljivost nečistoća: a) elektronska, b) rupa

Očigledno, u kristalima sa p-tipom provodljivosti, samo su rupe slobodne, slobodni elektroni se ne pojavljuju bez dodatne energije. Rupe su najveći nosioci naboja, dok su elektroni sporedni. Posljedično, struja će biti uređeno kretanje uglavnom rupa (smjer njihovog kretanja poklapa se sa smjerom struje).

Specifičnost donorskih i akceptorskih nečistoća je takva da se njihovi nivoi u energetskoj shemi mogu locirati u odnosu na trake samo na određeni način: donorske nečistoće daju nivoe u gornjem dijelu pojasa, a akceptorske nečistoće u donjem. Pojava nečistoće u sastavu kristala dovodi do promjene položaja Fermijevog nivoa (vidi gore).

Konkretno, za kristal sa nečistoćom donora, nivo E F diže se gore, za kristal sa primesom akceptora - pomera se dole (slika 12.6). Fermijev nivo je važna karakteristika poluprovodnika; posebno, teorija je neophodna bez upotrebe ovog koncepta. pn tranzicije.

Dodajmo da se pri dobijanju kristala nečistoće provodljivosti kao unesena nečistoća mogu koristiti i atomi drugih valencija. Onda razlika u valentnosti pokazuje koliko slobodnih nosilaca naboja (elektrona ili rupa) svaki atom nečistoće doprinosi kristalu.

Da biste dobili visoke vrijednosti električne provodljivosti materijala, potrebno je imati visoku koncentracija nosioca naboja(broj nosilaca naboja po jedinici zapremine kristala). To se postiže kontroliranim unošenjem željene vrste nečistoće. Moderne tehnologije omogućavaju da se broj uvedenih atoma uzme u obzir doslovno po komadu. Možete izmjeriti koncentraciju nosača naboja, kao i odrediti njihov tip (elektron ili rupa) pomoću Hallovog efekta (pogledajte tok elektromagnetizma).

U opštem slučaju, provodljivost poluvodičkog materijala je zbir njegove sopstvene i nečistoće:

(12.6)

Vodljivost nečistoća, kao i sama, ima eksponencijalnu ovisnost o temperaturi.

(12.7)

Pri relativno niskim temperaturama, provodljivost nečistoća igra glavnu ulogu (slika 12.7, dio I). Iz nagiba direktne zavisnosti provodljivosti od temperature u semilogaritamskim koordinatama može se odrediti energija aktivacije nečistoće E nečistoća, jer tgα pribl je proporcionalna dubini nivoa nečistoće u pojasu pojasa.

Sa povećanjem temperature, kada su svi atomi nečistoća već uključeni, provodljivost ostaje konstantna u određenom temperaturnom opsegu (slika 12.7, odeljak II).

Rice. 12.7. Ovisnost električne provodljivosti poluvodiča o temperaturi

Počevši od temperature aktivacije intrinzične provodljivosti, opet se opaža smanjenje otpora materijala (slika 12.7 odjeljak III). Tangenta nagiba odgovarajućeg presjeka tgα oct je proporcionalna energiji aktivacije intrinzične provodljivosti poluprovodnika, tj. njegova širina pojasnog razmaka.

6. . 7. . 8. .

Poluprovodnici- to su tvari čija otpornost opada s povećanjem temperature, prisustvom nečistoća, promjenama osvjetljenja. Po ovim svojstvima upadljivo se razlikuju od metala. Tipično, poluvodiči uključuju kristale u kojima je potrebna energija ne veća od 1,5-2 eV za oslobađanje elektrona. Tipični poluprovodnici su kristali germanijuma i silicijuma, u kojima su atomi ujedinjeni kovalentnom vezom. Priroda ove veze omogućava objašnjenje gore navedenih karakterističnih svojstava. Kada se poluvodiči zagriju, njihovi atomi ioniziraju. Oslobođene elektrone ne mogu uhvatiti susjedni atomi, jer su sve njihove valentne veze zasićene. Slobodni elektroni pod djelovanjem vanjskog električnog polja mogu se kretati u kristalu, stvarajući električnu provodnu struju. Uklanjanje elektrona iz vanjskog omotača jednog od atoma u kristalnoj rešetki dovodi do stvaranja pozitivnog jona. Ovaj ion se može neutralizirati hvatanjem elektrona. Nadalje, kao rezultat prijelaza vezanih elektrona iz atoma u pozitivne ione, dolazi do procesa haotičnog kretanja u kristalu mjesta s nedostajućim elektronom - "rupama". Izvana, ovaj proces haotičnog kretanja vezanih elektrona doživljava se kao kretanje pozitivnog naboja. Kada se kristal stavi u električno polje, dolazi do uređenog kretanja "rupa" - struje rupe.

U idealnom kristalu struju stvara jednak broj elektrona i "rupa". Ova vrsta provodljivosti se naziva vlastitu provodljivost poluprovodnici. Sa povećanjem temperature (ili osvjetljenja), intrinzična provodljivost provodnika se povećava.

Nečistoće imaju veliki uticaj na provodljivost poluprovodnika. Nečistoće mogu biti donor ili akceptor. Donorska nečistoća- ovo je nečistoća sa većom valentnošću od kristala. Kada se doda takva nečistoća, u poluvodiču se formiraju dodatni slobodni elektroni. Zbog toga se nečistoća naziva donor. Elektronska provodljivost prevladava, a poluvodič se naziva n-tipa poluprovodnika. Na primjer, za silicijum sa valencijom n = 4, nečistoća donora je arsen sa valentnošću n = 5. Svaki atom nečistoće arsena će rezultirati formiranjem jednog elektrona provodljivosti.

Nečistoća akceptora- ovo je nečistoća sa nižom valentnošću od kristala. Kada se doda takva nečistoća, u poluprovodniku se formira višak "rupa". Prevladava provodljivost "rupa", a poluvodič se naziva poluvodič p-tipa. Na primjer, za silicijum, akceptorska nečistoća je indijum sa valencijom od n = 3. Svaki atom indija će dovesti do stvaranja dodatne „rupe“.

Princip rada većine poluvodičkih uređaja zasniva se na svojstvima pn spoj. Kada se dva poluvodička uređaja p-tipa i n-tipa dovedu u kontakt, difuzija elektrona iz n-područja u p-područje počinje u kontaktnoj tački, a "rupe", naprotiv, iz p-područja u p-područje n-region. Ovaj proces neće biti beskonačan u vremenu, budući da je formiran sloj barijere, što će spriječiti dalju difuziju elektrona i "rupa".

P-n-kontakt poluvodiča, poput vakuumske diode, ima jednostranu vodljivost: ako povežete "+" izvora struje na p-područje, a "-" izvora struje na n-područje, tada će se blokirajući sloj srušiti i p-n-kontakt će provoditi struju, elektroni iz n-područja će otići u p-područje, a "rupe" iz p-područja u n-područje (slika 22). U prvom slučaju struja nije jednaka nuli, u drugom je struja jednaka nuli. To znači da ako je izvor "-" spojen na p-region, a "+" trenutnog izvora povezan na n-region, tada će se sloj za blokiranje proširiti i neće biti struje.

poluvodička dioda sastoji se od kontakta dva poluvodiča p- i n-tipa. Poluvodičke diode su male veličine i težine, dugog vijeka trajanja, visoke mehaničke čvrstoće, visoke efikasnosti; njihov nedostatak je ovisnost otpora o temperaturi.

Još jedan poluprovodnički uređaj se također koristi u radio elektronici: tranzistor, koji je izumljen 1948. Trioda je zasnovana na ne jednom, već dva pn spoja. Glavna primjena tranzistora je korištenje kao pojačalo slabih strujnih i naponskih signala, a poluvodička dioda se koristi kao strujni ispravljač.

Nakon otkrića tranzistora, započela je kvalitativno nova faza u razvoju elektronike - mikroelektronika, koja je podigla razvoj elektronske tehnologije, komunikacionih sistema i automatizacije na kvalitativno drugačiji nivo. Mikroelektronika se bavi razvojem integrisanih kola i principima njihove primene. integralno kolo naziva se skup velikog broja međusobno povezanih komponenti - tranzistora, dioda, otpornika, spojnih žica, proizvedenih u jednom tehnološkom procesu. Kao rezultat ovog procesa, na jednom kristalu istovremeno se stvara nekoliko hiljada tranzistora, kondenzatora, otpornika i dioda, do 3500 elemenata. Dimenzije pojedinih elemenata mikrokola mogu biti 2-5 mikrona, greška u njihovoj primjeni ne bi trebala prelaziti 0,2 mikrona. Mikroprocesor modernog računara, postavljen na. Silicijum kristal veličine 6x6 mm, sadrži nekoliko desetina ili čak stotina hiljada tranzistora.

Međutim, u tehnici se koriste i poluvodički uređaji bez p-n spoja. Na primjer, termistori (za mjerenje temperature), fotootpornici (u foto relejima, prekidačima u slučaju nužde, u daljinskim upravljačima za televizore i video rekordere).