Puslaidininkių savitasis ir priemaišinis laidumas. Puslaidininkių savitasis ir priemaišinis laidumas: savybės Kas vadinamas vidiniu puslaidininkių laidumu

§ 3 Puslaidininkių savitasis laidumas

• Vidinė puslaidininkių sandara.

Puslaidininkiai apima daugybę medžiagų, kurios pagal savo elektrines savybes užima tarpinę padėtį tarp laidininkų ir dielektrikų. Puslaidininkiams j=1 2¸ 1 0 - 8 Cm/m (j – elektros laidumas). Laidininkams j = 1 4¸ 1 0 3 cm/m; dielektrikams j< 10 -12 Sm/m. Svarbiausia puslaidininkių savybė ir savybė yra jų elektrinių savybių priklausomybė nuo išorinių sąlygų. T, E, R ir tt Būdinga puslaidininkių savybė yra ta, kad jų savitoji varža mažėja didėjant temperatūrai. Būdingi puslaidininkiai kristalinis struktūra su kovalentiniu ryšiu tarp atomų.

• Puslaidininkių savitasis laidumas.

Išorinių veiksnių įtakoje kai kurie atomų valentiniai elektronai įgyja pakankamai energijos, kad atlaisvintų juos nuo kovalentinių ryšių.

Elektrono išėjimas iš kovalentinio ryšio energijos diagramoje atitinka perėjimą iš valentinės juostos į laidumo juostą. Kai elektronas išlaisvinamas iš kovalentinio ryšio, pastarajame atsiranda savotiška laisva erdvė, kurios elementarus teigiamas krūvis absoliučia reikšme lygus elektrono krūviui. Tokia elektroninėje komunikacijoje atsilaisvinusi vieta buvo sutartinai vadinama skylė o porų susidarymo procesas vadinamas krūvio generavimas. Skylė, turinti teigiamą krūvį, prijungia prie savęs elektroną iš gretimos užpildytos kovalentinės jungties. Kaip rezultatas atkuriamas vienas ryšys(šis procesas vadinamas rekombinacija) ir sunaikina kaimyninį. Tada galime kalbėti apie teigiamo krūvio judėjimą – skylę kristale. Jei kristalą veikia elektrinis laukas, elektronų ir skylių judėjimas tampa tvarkingas ir kristale atsiranda elektros srovė. Šiuo atveju skylės laidumas vadinamas laidumu. R-tipas ( teigiamas - teigiamas) ir elektroninis laidumasn-tipas (neigiamas - neigiamas).

Chemiškai gryname puslaidininkiniame kristale (priemaišų skaičius 10 16 m -3) skylių skaičius visada lygus laisvųjų elektronų skaičiui, o elektros srovė jame susidaro tuo pačiu metu perduodant krūvį. abu ženklai. Šis elektronų skylės laidumas vadinamas vidinis puslaidininkio laidumas.

j = j n+ j p

jyra elektronų srovės tankis (n) ir skyles ( R).

Vidiniame puslaidininkyje Fermio lygis yra juostos tarpo viduryje. Nes aktyvacijos energija, lygus juostos tarpui, pereina į elektrono perkėlimą iš viršutinio valentinės juostos lygio į apatinį laidumo juostos lygį ir tuo pačiu metu į skylės atsiradimą valentinėje juostoje. Tie. energija, sunaudota srovės nešėjų porai susidaryti, yra padalinta į dvi lygias dalis, todėl kiekvieno iš šių procesų atskaitos taškas (elektrono perėjimas prie skylės susidarymo) turėtų būti juostos viduryje. tarpas.

Elektronų, perkeltų į laidumo juostą, skaičius ir susidariusių skylių skaičius~

taigi savitasis vidinių puslaidininkių laidumas

γ yra konstanta, kurią lemia medžiagos tipas.

Tie. padidėjus T, γ didėja, nes juostos teorijos požiūriu didėja elektronų skaičius, kurie dėl terminio sužadinimo pereina į laidumo juostą.

,

tie.

Linijos nuolydis ln γ juostos tarpą galima nustatyti D E.

§ ketvirta Puslaidininkių priemaišų laidumas

Puslaidininkiuose, kuriuose yra priemaišų, elektrinis laidumas yra vidinio ir priemaiša.

Laidumas, kurį sukelia puslaidininkių kristaluose esančios priemaišos iš atomų su skirtingas valentingumas paskambino priemaiša. Priemaišos, sukeliančios laisvųjų elektronų padidėjimą puslaidininkyje, vadinamos donoras, ir sukelia skylių padidėjimą - priėmėjas.

Skirtingas priemaišų atomų veikimas paaiškinamas taip. Tarkime, kad germanio kristale ( Ge 4+ ), kurio atomai turi 4 valentinius elektronus, įvedame penkiavalentį arseną AS 5+ . Šiuo atveju arseno atomai su 4-uoju iš penkių valentinių elektronų susijungia. 5-asis arseno valentinis elektronas bus nesurištas, t.y. tampa laisvuoju elektronu. Puslaidininkis, kurio elektrinis laidumas padidėjo dėl laisvųjų elektronų pertekliaus susidarymo įvedant priemaišą, vadinamas elektroninio laidumo puslaidininkiais. (puslaidininkis n -tipas),a donorinė priemaiša (dovanojanti elektroną).

Pavyzdžiui, įvadas į 4-valentinį 3-valenčio elemento puslaidininkį ( 3+ ) indis, priešingai, sukelia skylių perteklių virš laisvųjų elektronų. Tokiu atveju kovalentiniai ryšiai nebus visiškai užbaigti ir susidariusios skylės gali judėti per kristalą, sukurdamos skylių laidumą. Puslaidininkiai, kurių elektrinį laidumą daugiausia lemia skylių judėjimas, vadinami puslaidininkiais su skylutiniu laidumu arba puslaidininkiais. R-tipas ir priemaiša - priėmėjas (jaudinantis elektronas iš kovalentinio ryšio arba iš valentinės juostos). Šių priemaišų energijos lygiai vadinami akceptoriaus lygiai esantis virš valentinės juostos.

Donorinių priemaišų energijos lygiai vadinami donorų lygiai yra žemiau apatinio laidumo juostos lygio.

Legiruotuose puslaidininkiuose krūvininkai yra pagrindinis(elektronai laidininken-tipas) ir ne pagrindinis(skylės puslaidininkyje R-tipas, elektronai puslaidininkyjen-tipas).

Priemaišų lygių buvimas puslaidininkiuose žymiai pakeičia Fermio lygio padėtį E F . puslaidininkyjen- įveskite adresu T= 0 K E F esantis viduryje tarp laidumo juostos apačios ir donoro lygio. Didėjant T vis daugiau elektronų pereina iš donorinio lygio į laidumo juostą, tačiau dėl terminio sužadinimo dalis valentinės juostos elektronų pereina į laidumo juostą. Todėl didėjant T Fermio lygis pasislenka žemyn į juostos tarpo vidurį.

Puslaidininkiai R- įveskite adresu T = 0 Į,E F viduryje tarp akceptoriaus lygio ir valentinės juostos viršaus. Didėjant T E F pasislenka į juostos vidurį.

Puslaidininkių laidumo priklausomybė nuo temperatūros turi tokią formą, kaip parodyta paveikslėlyje (plačiau žr. laboratorinį darbą 8.6.).

Puslaidininkiai- medžiagos, savo specifiniu laidumu užimančios tarpinę padėtį tarp laidininkų ir dielektrikų. Gamtoje jie egzistuoja elementų (4,5,6 grupių), pavyzdžiui, Si, Ge, As, Se, ir cheminių sulfidų, oksidų ir kt.

Išskirti savas (grynas) ir priemaišas puslaidininkiai.

Kaitinant iki temperatūros T > 0 K, taip pat apšviečiant ar apšvitinant, gali nutrūkti elektroniniai (kovalentiniai) ryšiai, todėl susidaro laisvieji elektronai Kovalentinio ryšio nutrūkimo taške laisva vieta elektronui pasirodo - skylė, kuri atitinka teigiamą krūvį. Skylę gali užimti arba gretimų kovalentinių ryšių elektronai, arba laisvasis elektronas. Dėl to jis pradeda judėti per kristalą. Kylant temperatūrai, didėja laisvųjų elektronų skaičius (nutrūksta daugiau ryšių) ir atitinkamai skylių.

Kai tokiame puslaidininkyje sukuriamas elektrinis laukas, įtraukiant jį į elektrai laidžią grandinę, vyks nukreiptas elektronų ir skylių judėjimas, tai yra, tekės elektros srovė.

Taigi grynuose puslaidininkiuose normaliomis sąlygomis visada yra vienodas laisvųjų elektronų ir skylių skaičius, kurie lemia vidinis puslaidininkio elektrinis laidumas. Savitasis laidumas – vidinių (grynųjų) puslaidininkių (Ge, Se, GaAs) laidumas.

Iš požiūrio taško kvantinė (juostos) teorija puslaidininkiai, be valentinės juostos (I) ir laidumo juostos (3). juostos tarpas (2), kurio energijos vertės elektronai negali turėti.

Esant T = 0 K valentinė juosta yra visiškai užpildyta elektronais ir juostos tarpas , yra mažas, laidumo juostos energijos lygiai yra laisvi. Jeigu kaitinant puslaidininkį elektronai gauna energiją arba elektromagnetinio lauko energiją , apšvitinus šviesa arba radioaktyvia spinduliuote, elektronai gali pereiti į laidumo juostą (3 pav.), tapdami laisvi. Tokiu atveju valentinėje juostoje atsiranda skylės.Puslaidininkis geba pravesti srovę, kurios nešikliais bus elektronai ir skylės. Tarp klasikinių ir kvantinių sąvokų nėra prieštaravimų.

Taigi, puslaidininkio vidinio laidumo srovė yra elektronų ir skylių srovės suma.

Puslaidininkių priemaišų laidumas

Priklausomai nuo priemaišos pobūdžio, priemaišų laidumas gali būti dviejų tipų: n tipo - elektroninis, p tipo - skylė. n tipo laidumas susidaro tuo atveju, kai pagrindinis puslaidininkis (pavyzdžiui, silicis ) pridedamas nedidelis kiekis didelio valentingumo priemaišos (pavyzdžiui, arseno). Tada, statant kristalinę gardelę, priemaišos atomas turės papildomą elektroną. Prie vidinio laidumo elektronų bus pridėti priemaišų elektronai. Tačiau dėl šios priežasties elektronų koncentracija bus daug didesnė nei skylių. Pagrindiniai srovės nešėjai bus elektronai (jų yra daug), o smulkieji – skylės (jų mažai). Toks priemaišinio puslaidininkio laidumas vadinamas n tipo (elektroniniu), nes priemaiša yra elektronų donorė (tiekėja). Tuo atveju, kai priemaišos valentingumas yra mažesnis nei pagrindinio puslaidininkio (pavyzdžiui, silicio Si) su boru B, tada konstruojant gardelę boro atomams trūks vieno elektrono. Atsiras neužpildyta skylės jungtis. Priemaišų puslaidininkyje skylių koncentracija bus daug didesnė nei elektronų. Šis priemaišų laidumo tipas vadinamas p tipo (skylė), nes priemaiša yra elektronų kolektorius (akceptorius). Net ir nedidelis priemaišų kiekis padidina puslaidininkio laidumą milijonus kartų, todėl srovę priemaišiniame puslaidininkyje daugiausia sudaro arba elektronai, arba skylės.

Kvantinė teorija priemaišinių puslaidininkių susidarymą aiškina skirtingomis donorų ir akceptorių (priemaišų) energijos lygių padėtimis laidumo (3) valentinės juostos (1) atžvilgiu puslaidininkio kristale. Donorų energijos lygis yra artimas iki laidumo juostos lygių. Elektronai lengvai patenka į jį nesudarant skylių valentinėje juostoje. Pagrindiniai nešėjai bus elektronai (n tipo). Akceptoriaus energijos lygiai yra arčiau valentinės juostos, todėl valentinės juostos elektronai gali lengvai išeiti iš jos, sudarydami joje skyles. Pagrindiniai nešikliai bus skylės (p tipo laidumas).

Puslaidininkiniai diodai

Bet kuris puslaidininkinis įtaisas turi vieną ar daugiau elektronų skylių jungčių. Elektronų skylės sandūra (arba n-p sandūra) yra dviejų skirtingų laidumo tipų puslaidininkių sąlyčio sritis. Kai susiliečia du n ir p tipo puslaidininkiai, prasideda difuzijos procesas: skylės iš p srities patenka į n sritį, o elektronai, priešingai, iš n srities į p sritį. Dėl to n-srityje prie kontaktinės zonos mažėja elektronų koncentracija ir atsiranda teigiamai įkrautas sluoksnis. P regione skylių koncentracija mažėja ir atsiranda neigiamo krūvio sluoksnis. Taigi ties puslaidininkių riba susidaro dvigubas elektrinis sluoksnis, kurio laukas neleidžia vykti elektronų difuzijos ir skylių vienas kito link (1.14.1 pav.). Ribinė sritis tarp skirtingų laidumo tipų puslaidininkių (vadinamasis barjerinis sluoksnis) paprastai pasiekia dešimčių ir šimtų tarpatominių atstumų storį. Šio sluoksnio erdviniai krūviai sukuria blokuojančią įtampą tarp p ir n regionų U c

n-p sandūra turi nuostabią vienpusio laidumo savybę.

Barjerinio sluoksnio susidarymas p ir n tipo puslaidininkių sąlytyje

Jei puslaidininkis su n-p sandūra yra prijungtas prie srovės šaltinio taip, kad šaltinio teigiamas polius būtų prijungtas prie n srities, o neigiamas - su p sritimi, tai blokuojančiame sluoksnyje padidėja lauko stipris. Skylės p srityje ir elektronai n srityje bus išstumti iš n-p jungties, taip padidinant mažumos nešėjų koncentraciją barjeriniame sluoksnyje. Per n-p sandūrą srovės praktiškai nėra. Įtampa, taikoma n-p sandūrai, šiuo atveju vadinama atvirkštine. Labai mažą atvirkštinę srovę lemia tik vidinis puslaidininkinių medžiagų laidumas, ty maža laisvųjų elektronų koncentracija p srityje ir skylės n srityje.

Jei n–p sandūra prijungta prie šaltinio taip, kad šaltinio teigiamas polius būtų prijungtas prie p srities, o neigiamas – su n sritimi, tai blokuojančiame sluoksnyje elektrinio lauko stipris sumažės, o tai palengvins pagrindinių nešėjų perėjimas per kontaktinį sluoksnį. Skylės iš p srities ir elektronai iš n srities, judėdami vienas kito link, kirs n-p sandūrą, sukurdami srovę į priekį. Šiuo atveju srovė per n-p jungtį padidės didėjant šaltinio įtampai.

N-p sandūros gebėjimas praleisti srovę beveik tik viena kryptimi naudojamas įrenginiuose, vadinamuose puslaidininkiniai diodai. Puslaidininkiniai diodai yra pagaminti iš silicio arba germanio kristalų. Jų gamybos metu priemaiša išlydoma į kristalą su tam tikro tipo laidumu, kuris suteikia kitokio tipo laidumą.

Puslaidininkiniai diodai naudojami lygintuvuose kintamajai srovei paversti nuolatine.

Elektrinis laidumas ir tt-perėjimas labai priklauso nuo temperatūros, todėl didėjant temperatūrai atvirkštinė srovė didėja:

Taigi n-p sandūra turi vienpusį elektros laidumą. Tai yra pagrindinė jo nuosavybė, kuri įdėta įrenginio pagrindas ir puslaidininkinio diodo veikimo principas.

Diodas yra elektronų skylės jungtis, metaliniu korpusu apsaugota nuo šviesos ir elektromagnetinės spinduliuotės ir turinti šilumos kriauklę temperatūrai stabilizuoti.

Argumentai "už": didelis efektyvumas (98%), ilgas tarnavimo laikas, tvirtumas.

Suvart: priklausomybė nuo temperatūros.

Chemiškai grynų puslaidininkių laidumas vadinamas savas laidumas, o patys puslaidininkiai yra savi puslaidininkiai.Gryname puslaidininkyje laisvųjų elektronų ir skylių skaičius yra vienodas. Veikiant puslaidininkiui įtampai, kryptingo laisvųjų elektronų judėjimo greitis jame yra didesnis nei skylių. Todėl elektroninio laidumo srovės stipris I e yra didesnis už skylės laidumo srovės stiprumą I d. Bendra srovė puslaidininkyje I \u003d I e + I d.

Puslaidininkio vidinis laidumas didėja didėjant temperatūrai. Esant pastoviai temperatūrai, tarp skylių susidarymo ir elektronų bei skylių rekombinacijos susidaro dinaminė pusiausvyra. Esant tokioms sąlygoms, laidumo elektronų ir skylių skaičius tūrio vienete išlieka pastovus.

Puslaidininkių laidumui didelę įtaką daro juose esančios priemaišos. Kai į puslaidininkį įvedamos tam tikros priemaišos, su nedideliu „skylių“ skaičiumi galima gauti palyginti daug laisvųjų elektronų arba, atvirkščiai, daug „skylių“ su labai mažu laisvųjų elektronų skaičiumi. Laidininkų laidumas dėl priemaišų vadinamas priemaišų laidumas, o patys puslaidininkiai yra priemaišiniai puslaidininkiai. Priemaišos, kurios lengvai atiduoda savo elektronus baziniam puslaidininkiui ir dėl to padidina jame laisvųjų elektronų skaičių, vadinamos donoras(dovanojančių) priemaišų. Kaip tokios priemaišos naudojami elementai, kurių atomai turi didesnį valentinių elektronų skaičių nei pagrindinio puslaidininkio atomai. Taigi, kalbant apie germanį, arseno ir stibio priemaišos yra donorės.

Norint gauti arseno priemaišų germanyje, jos sumaišomos ir išlydomos. Germanis yra keturvalentinis elementas. Arsenas yra penkiavalentis. Kietėjant germanio kristalinės gardelės vietoje, germanio atomas pakeičiamas arseno atomu. Pastarųjų elektronai sudaro stiprius kovalentinius ryšius su keturiais gretimais germanio atomais (102 pav., a). Likęs penktasis valentinis arseno elektronas, kuris nedalyvauja porų elektronų ryšiuose, ir toliau juda aplink arseno atomą. Dėl to, kad germanio dielektrinė konstanta ε = 16, elektrono pritraukimo prie branduolio jėga mažėja, elektronų orbitos matmenys padidėja 16 kartų; jo jungimosi su atomu energija sumažėja 256 kartus (ty ε 2 kartus), o šiluminio judėjimo energijos užtenka šiam elektronui atjungti nuo atomo. Jis pradeda laisvai judėti germanio gardelėje, taip virsdamas laidumo elektronu.

Arseno atomas, būdamas germanio kristalinės gardelės vietoje, praradęs elektroną, tampa teigiamu jonu.

Jis yra tvirtai susietas su germanio kristaline gardele, todėl nedalyvauja formuojant srovę.

Energija, reikalinga elektronui perkelti iš valentinės juostos į laidumo juostą (žr. 96 pav.) vadinama aktyvacijos energija. Priemaišinių srovės neštuvų atveju jis paprastai yra daug kartų mažesnis nei pagrindinio puslaidininkio srovės nešiklio. Todėl, šiek tiek kaitinant, apšviečiant, išsiskiria daugiausia priemaišų atomų elektronai. Išėjusio elektrono vietoje donoro atome susidaro skylė. Tačiau elektronų judėjimo į skyles beveik nevyksta, t.y., donoro sukuriamas papildomas skylės laidumas yra labai mažas. Tai paaiškinama taip. Dėl nedidelio priemaišų atomų skaičiaus jo laidumo elektronai retai būna šalia skylės ir negali jos užpildyti. O pagrindinio puslaidininkio atomų elektronai, nors ir yra šalia skylių, dėl gerokai mažesnio energijos lygio jų nepajėgia užimti.

Nedidelis donorinės priemaišos priedas padaro laisvojo laidumo elektronų skaičių tūkstančius kartų didesnį už laisvųjų elektronų skaičių gryname puslaidininkyje tomis pačiomis sąlygomis. Puslaidininkyje su donorine priemaiša elektronai yra pagrindiniai krūvininkai. n tipo puslaidininkiai.

Priemaišos, kurios pagauna elektronus iš pagrindinio puslaidininkio ir dėl to padidina jame esančių skylių skaičių, vadinamos priėmėjas(šeimininkas) priemaišų. Kaip tokios priemaišos naudojami elementai, kurių atomai turi mažesnį valentinių elektronų skaičių nei pagrindinio puslaidininkio atomai. Taigi, palyginti su germaniu, indis ir aliuminis yra akceptoriai.

Norint gauti indžio priemaišų germanyje, jos sumaišomos ir išlydomos. Germanis yra keturvalentinis elementas. Indis yra trivalentis. Kad susidarytų kovalentiniai ryšiai su keturiais artimiausiais germanio atomais, indžio atomui trūksta vieno elektrono. Indis jį skolinasi iš germanio atomo (102 pav., b). Tam germanio atomų elektronai tiekiami kaitinant energija, kurios užtenka tik kovalentiniam ryšiui nutraukti, o po to išsilaisvinusius elektronus pagauna indžio atomai. Nebūdami laisvi, šie elektronai nedalyvauja formuojant srovę. Indžio atomai tampa neigiamais jonais, yra tvirtai surišti su germanio kristaline gardele, todėl nedalyvauja formuojant srovę.

Vietoje elektrono, palikusio germanio atomą, susidaro skylė, kuri yra laisvas teigiamo krūvio nešėjas. Šią skylę galima užpildyti elektronu A iš gretimo germanio atomo ir kt. Puslaidininkyje su akceptoriaus priemaiša pagrindiniai krūvininkai yra skylės. Tokie puslaidininkiai vadinami p tipo puslaidininkiai.

Taigi, priešingai nei vidinis laidumas, kurį vienu metu atlieka elektronai ir skylės, puslaidininkio priemaišų laidumą daugiausia lemia to paties ženklo nešikliai: elektronai, jei priemaiša yra donorė, ir skylės, jei priemaišos. akceptoriaus priemaiša. Šie krūvininkai priemaišų puslaidininkyje yra pagrindiniai. Be jų, tokiame puslaidininkyje yra mažumos nešikliai: elektroniniame puslaidininkyje - skylės, skylėje puslaidininkyje - elektronai. Jų koncentracija yra daug mažesnė nei pagrindinių nešėjų koncentracija.

Savas laidumas

Apsvarstykite įvairių medžiagų laidumo kvantinę teoriją. Prisiminkite tai laidumas vadinamas krūvininkų gebėjimas vykdyti kryptingą judėjimą pagal taikomą elektrinį lauką (neigiamo krūvio nešėjai prieš lauką, teigiamo krūvio - palei lauką). Puslaidininkinių medžiagų atveju galimi du laidumo tipai, priklausomai nuo medžiagos cheminės sudėties grynumo.

Išskirti savo ir priemaiša puslaidininkiai. Tarp būdingųjų yra chemiškai gryni puslaidininkiai, tai yra tokie puslaidininkiai, kuriuose yra tik vieno tipo atomai (ar molekulės) ir nėra pašalinių intarpų. Tokiuose puslaidininkiuose tik savo laidumą.

Vidinis laidumas įvyksta, kai elektronai pereina iš viršutinių valentinės juostos lygių į laidumo juostą, jei jie gauna papildomos pakankamai energijos, kuri yra lygi (arba šiek tiek didesnė) juostos tarpui. Pvz. Šią energiją, kaip jau minėta 9 paskaitoje, elektronas gali gauti dėl gardelės šiluminių virpesių arba veikiant šviesos kvantui. hν.

Ryžiai. 12.1. Puslaidininkio savitasis laidumas

Kadangi šiluminių virpesių energija, kaip taisyklė, yra daug mažesnė už šviesos kvanto energiją, kuri energija išprovokuos laidumo atsiradimą, priklauso nuo kristalo juostos tarpo. Elektrono perėjimas į laidumo juostą atitinka kūrybą dvi laisvos dalelės: elektronas, kurio energija lygi vienai iš laidumo juostos leistinų verčių, taip pat skylė, kurios energija lygi vienai iš valentinės juostos verčių. Šios dalelės yra srovės nešikliai, o elektronai ir skylės prisideda prie laidumo. Jei tokiam kristalui pritaikysite potencialų skirtumą, tiek elektronai, tiek skylės gali judėti visame mėginyje. Šis reiškinys jau buvo aptartas antroje paskaitoje, jis vadinamas vidiniu fotoelektriniu efektu.

Galite sužinoti tam tikros medžiagos elektrinį laidumą. Tam naudojame elektronų ir skylių energijos pasiskirstymą (žr. 10 skyrių). Kadangi elektronai ir skylės yra fermionai, t.y. dalelės, turinčios pusės sveikojo skaičiaus sukimąsi, o tai reiškia, kad jos paklūsta Fermi-Dirac statistikai:

(12.1)

Parametras E F vadinamas Fermi energija. Fermi lygis yra virtualus lygis, atitinkantis vidurį tarp visų užimtų ir visų laisvų būsenų, su sąlyga, kad abiejų yra vienodas skaičius. Idealiu atveju visi laisvi lygiai yra virš Fermi lygio, visi užimti lygiai yra žemiau. Tačiau tikruose kristaluose laisvasis lygis gali būti žemiau Fermio lygio, jei virš Fermio lygio yra elektrono užimtas lygis. Metalams Fermio lygis yra laidumo juostoje. Vidiniams (ty gryniems) puslaidininkiams Fermi energija kambario temperatūroje atitinka maždaug juostos tarpo vidurį, todėl:

(12.2)

kur Pvz yra juostos tarpas.

Elektronų, perkeltų į laidumo juostą (taip pat valentinėje juostoje likusių skylių), skaičius bus proporcingas tikimybei, kad elektronas turės atitinkamą energiją:

Laidumas akivaizdžiai priklauso nuo laisvųjų srovės nešiklių skaičiaus, tai yra, jis taip pat pasirodo proporcingas funkcijai f(E):

(12.4)

arba (12.5)

Matyti, kad savųjų puslaidininkių elektrinis laidumas didėja eksponentiškai didėjant temperatūrai (12.2 pav.). Matuojant puslaidininkio elektrinį laidumą įvairiose temperatūrose, galima nustatyti juostos tarpą. Pusiau logaritminėse koordinatėse (kaip 12.2 pav.) tiesės nuolydis bus proporcingas Pvz.

Ryžiai. 12.2. Elektros laidumo priklausomybė

nuosavas puslaidininkis esant temperatūrai

Prisiminkite, kad didėjant temperatūrai metalų elektrinis laidumas mažėja tiesiškai. Šis skirtumas paaiškinamas tuo, kad puslaidininkių ir metalų laidumo pobūdis iš esmės skiriasi.

Priemaišų laidumas

Elektrinės ir optinės savybės legiruotų puslaidininkių priklauso nuo natūralių ar dirbtinai įvestų priemaišų. Žinoma, norint efektyviai kontroliuoti medžiagos savybes, būtina griežta priemaišų kiekio kontrolė medžiagos sudėtyje, toks kontroliuojamas priemaišos įvedimas vadinamas dopingas. Sukurti tam tikrą priemaišų koncentraciją yra gana sudėtinga, bet įgyvendinama užduotis. Reikėtų suprasti, kad kai kuriose medžiagose neišvengiamai yra tam tikras kiekis natūralių priemaišų. Tokiais atvejais turi būti ištirtas jo poveikis optinėms ir elektrinėms medžiagos savybėms ir vėliau į jį reikia atsižvelgti.

Panagrinėkime priemaišų laidumo mechanizmą klasikinių puslaidininkių pavyzdžiu Ge, ir Si. Abu elementai yra keturvalenčiai, o kristalo atomai yra sujungti kovalentinėmis jėgomis. Tai reiškia, kad kiekvienas gardelės atomas yra apsuptas keturių tų pačių atomų ir yra su jais sujungtas, turėdamas bendrą elektronų porą.

Ryžiai. 12.3. Suplotas kristalinės gardelės vaizdas

idealus 4-valentinis kristalas

Jei kristalas idealus, tai visi ryšiai aplink atomą yra sotūs – neturi laisvų vietų, o erdvėje tarp atomų nėra laisvųjų elektronų (12.3 pav.).

Tarkime, kad vietoj vieno iš pagrindinių atomų į kristalą pateko atomas, kurio valentingumas yra dar vienas (fosforo atomas P kristale Ge). 4 iš 5 fosforo elektronų pasiskirstys tarp gretimų germanio atomų, o penktasis elektronas bus laikomas šalia dėl gana silpno ryšio (12.4 pav.).

Ryžiai. 12.4. Suplotas kristalinės gardelės vaizdas

Ge su penkiavalene fosforo priemaiša

Šį ryšį galima lengvai nutraukti kaitinant kristalą arba jį apšviečiant. Atplėštas elektronas bus laisvas ir, pritaikius potencialų skirtumą, galės judėti atitinkama kryptimi. Priemaiša, kuri prideda laisvųjų elektronų į kristalą, vadinama donoras.

Donorinės priemaišos energijos schemoje tam tikru atstumu nuo laidumo juostos apačios bus lygis. Atstumas tarp priemaišų lygio ir laidumo juostos yra proporcingas energijai E priemaiša, kuris reikalingas priemaišos elektronui atsiskirti nuo pirminio atomo, t.y. perkelti elektroną į laisvą būseną (12.6 pav. a). Elektrono atsiskyrimo nuo atomo ir jo perėjimo į laisvą būseną faktas reiškia elektrono perėjimą į laidumo juostą. Tokiu atveju išleistas donoro lygis vėliau gali kurį laiką užfiksuoti bet kurį laisvą elektroną - tai yra, kabantis fosforo ryšys gali būti trumpalaikis elektronų saugojimas.

Taigi, kaip rezultatas, mes gauname laidumo elektroną ir, skirtingai nei vidinis laidumas (žr. aukščiau), laisva skylė nesusidaro. Šiuo atveju indėlį į įrašytą srovę daugiausia prisidės elektronai, kurie yra pagrindiniai tokio puslaidininkio krūvininkai, o skyles - mažieji. Tokio kristalo laidumo tipas vadinamas elektroniniu arba n-tipo, o pats kristalas gauna kristalo statusą su elektroninis laidumas arba krištolas n-tipas.

Jei vis dėlto į keturvalentį kristalą įvesta trivalentė priemaiša, tai viena iš keturių atomo ryšių, esančių šalia priemaišos, bus nesočioji dėl 4-ojo elektrono nebuvimo (12.5 pav.). Tokia laisva vieta (skylė) lengvai užfiksuoja elektroną iš kaimyninės vietos – tai atitinka skylės perėjimą į laisvą būseną.

Ryžiai. 12.5. Suplotas kristalinės gardelės vaizdas

Si su trivalenčia boro priemaiša

Kai kristalui taikomas potencialų skirtumas, skylė juda taip pat, kaip ir laidumo elektronas, tik priešinga kryptimi. Taigi, kristalas su nurodyto tipo priemaiša turės skylės laidumo tipas arba vadintis kristalu p-tipas. Energijos diagramoje atsiranda priemaišos, kuri šiuo atveju vadinama priėmėjas, atsispindės lygis juostos tarpelyje šalia valentinės juostos viršaus, aukščiau E priemaiša. Elektronas bus užfiksuotas iki šio lygio iš valentinės juostos užimto ​​lygio, kuriame liks laisva skylė (12.6 pav. b).

Ryžiai. 12.6. Priemaišų laidumas: a) elektroninis, b) skylė

Akivaizdu, kad p tipo laidumo kristaluose laisvos yra tik skylės, laisvieji elektronai neatsiranda be papildomos energijos. Skylės yra pagrindiniai krūvininkai, o elektronai yra maži. Vadinasi, srovė bus tvarkingas daugiausia skylių judėjimas (jų judėjimo kryptis sutampa su srovės kryptimi).

Donorų ir akceptorių priemaišų specifika yra tokia, kad jų lygiai energetinėje schemoje juostų atžvilgiu gali būti išdėstyti tik tam tikru būdu: donorų priemaišos suteikia lygius viršutinėje juostos tarpo dalyje, akceptorių priemaišos apatinėje. Dėl priemaišų atsiradimo kristalo sudėtyje pasikeičia Fermi lygio padėtis (žr. aukščiau).

Visų pirma, kristalui su donoro priemaiša, lygis E F kyla aukštyn, kristalui su akceptorine priemaiša - juda žemyn (12.6 pav.). Fermio lygis yra svarbi puslaidininkio savybė; ypač teorija yra būtina nenaudojant šios sąvokos. pn perėjimai.

Pridurkime, kad, gaunant kristalą su priemaišų laidumu, kaip įterpta priemaiša gali būti naudojami ir kitų valentų atomai. Tada valentingumo skirtumas parodo, kiek laisvųjų krūvininkų (elektronų ar skylių) kiekvienas priemaišos atomas įneša į kristalą.

Norint gauti dideles medžiagos elektrinio laidumo vertes, būtina turėti aukštą krūvininkų koncentracija(krūvininkų skaičius kristalo tūrio vienete). Tai pasiekiama kontroliuojamu norimos rūšies priemaišų įvedimu. Šiuolaikinės technologijos leidžia pažodžiui atsižvelgti į įvestų atomų skaičių. Galite išmatuoti krūvininkų koncentraciją, taip pat nustatyti jų tipą (elektroną ar skylę) naudodami Holo efektą (žr. elektromagnetizmo eigą).

Bendruoju atveju puslaidininkinės medžiagos laidumas yra jo paties ir priemaišų laidumo suma:

(12.6)

Priemaišų laidumas, kaip ir jo paties, turi eksponentinę priklausomybę nuo temperatūros.

(12.7)

Palyginti žemoje temperatūroje pagrindinį vaidmenį atlieka priemaišų laidumas (12.7 pav. I skyrius). Iš tiesioginės laidumo priklausomybės nuo temperatūros nuolydžio puslogaritminėmis koordinatėmis galima nustatyti priemaišos aktyvavimo energiją E priemaiša, nes tgα apytiksliai yra proporcinga priemaišų lygio juostos tarpoje gyliui.

Kylant temperatūrai, kai jau dalyvauja visi priemaišų atomai, laidumas išlieka pastovus tam tikrame temperatūros intervale (12.7 pav. II skyrius).

Ryžiai. 12.7. Puslaidininkio elektrinio laidumo priklausomybė nuo temperatūros

Pradedant nuo vidinio laidumo aktyvavimo temperatūros vėl stebimas medžiagos varžos mažėjimas (12.7 pav. III skyrius). Atitinkamos atkarpos nuolydžio liestinė tgα spalis yra proporcinga puslaidininkio vidinio laidumo aktyvavimo energijai, t.y. jo tarpo plotis.

6. . 7. . 8. .

Puslaidininkiai- tai medžiagos, kurių savitoji varža mažėja didėjant temperatūrai, esant priemaišoms, keičiantis apšvietimui. Pagal šias savybes jie stulbinamai skiriasi nuo metalų. Paprastai puslaidininkiams priskiriami kristalai, kuriuose elektronui išlaisvinti reikia ne didesnės kaip 1,5-2 eV energijos. Tipiški puslaidininkiai yra germanio ir silicio kristalai, kuriuose atomus jungia kovalentinis ryšys. Šio ryšio pobūdis leidžia paaiškinti minėtas būdingas savybes. Kai puslaidininkiai kaitinami, jų atomai jonizuojasi. Išlaisvintų elektronų negali užfiksuoti kaimyniniai atomai, nes visi jų valentiniai ryšiai yra prisotinti. Laisvieji elektronai, veikiami išorinio elektrinio lauko, gali judėti kristale, sukurdami elektroninio laidumo srovę. Pašalinus elektroną iš vieno iš kristalų gardelės atomų išorinio apvalkalo, susidaro teigiamas jonas. Šį joną galima neutralizuoti užfiksuojant elektroną. Be to, dėl surištų elektronų perėjimų iš atomų į teigiamus jonus, vietos, kurioje trūksta elektrono, kristale vyksta chaotiškas judėjimas - „skylės“. Išoriškai šis surištų elektronų chaotiško judėjimo procesas suvokiamas kaip teigiamo krūvio judėjimas. Įdėjus kristalą į elektrinį lauką, įvyksta tvarkingas „skylių“ judėjimas – skylės laidumo srovė.

Idealiame kristale srovę sukuria vienodas elektronų ir „skylių“ skaičius. Šis laidumo tipas vadinamas savo laidumą puslaidininkiai. Didėjant temperatūrai (arba apšvietimui), vidinis laidininkų laidumas didėja.

Priemaišos turi didelę įtaką puslaidininkių laidumui. Priemaišos gali būti donorės arba akceptorės. Donoro priemaiša- tai priemaiša, kurios valentingumas didesnis nei kristalo. Pridėjus tokią priemaišą, puslaidininkyje susidaro papildomi laisvieji elektronai. Štai kodėl priemaiša vadinama donore. Vyrauja elektroninis laidumas, vadinamas puslaidininkiu n tipo puslaidininkis. Pavyzdžiui, siliciui, kurio valentingumas n = 4, donorinė priemaiša yra arsenas, kurio valentingumas n = 5. Kiekvienas arseno priemaišos atomas sudarys po vieną laidumo elektroną.

Akceptoriaus priemaiša- tai priemaiša, kurios valentingumas yra mažesnis nei kristalo. Pridėjus tokią priemaišą, puslaidininkyje susidaro perteklinis „skylių“ skaičius. Vyrauja „skylės“ laidumas, o puslaidininkis vadinamas p tipo puslaidininkis. Pavyzdžiui, siliciui akceptoriaus priemaiša yra indis, kurio valentingumas n = 3. Kiekvienas indžio atomas sudarys papildomą „skylę“.

Daugumos puslaidininkinių įtaisų veikimo principas pagrįstas savybėmis pn sandūra. Kai susiliečia du p tipo ir n tipo puslaidininkiniai įtaisai, elektronų difuzija iš n srities į p sritį prasideda kontaktiniame taške, o „skylės“, priešingai, iš p- į sritį. n-regionas. Šis procesas nebus begalinis laike, nes jis susiformuoja barjerinis sluoksnis, kuris neleis tolesnei elektronų difuzijai ir „skylių“.

Puslaidininkių p-n kontaktas, kaip ir vakuuminis diodas, turi vienpusį laidumą: jei srovės šaltinio „+“ prijungiate prie p srities, o srovės šaltinio „-“ – prie n srities, tada blokuojantis sluoksnis subyrės ir p-n-kontaktas ves srovę, elektronai iš n srities pateks į p sritį, o "skylės" iš p srities į n sritį (22 pav.). Pirmuoju atveju srovė nėra lygi nuliui, antruoju - lygi nuliui. Tai reiškia, kad jei "-" šaltinis yra prijungtas prie p regiono, o srovės šaltinio "+" yra prijungtas prie n srities, blokavimo sluoksnis išsiplės ir nebus srovės.

puslaidininkinis diodas susideda iš dviejų p ir n tipo puslaidininkių kontakto. Puslaidininkiniai diodai yra mažo dydžio ir svorio, ilgas tarnavimo laikas, didelis mechaninis stiprumas, didelis efektyvumas; jų trūkumas – atsparumo priklausomybė nuo temperatūros.

Kitas puslaidininkinis įtaisas taip pat naudojamas radijo elektronikoje: tranzistorius, kuris buvo išrastas 1948. Triodas paremtas ne viena, o dviem pn sandūromis. Pagrindinis tranzistoriaus pritaikymas yra naudoti jį kaip silpnos srovės ir įtampos signalų stiprintuvą, o puslaidininkinis diodas naudojamas kaip srovės lygintuvas.

Po tranzistoriaus atradimo prasidėjo kokybiškai naujas elektronikos vystymosi etapas – mikroelektronika, kuri elektroninių technologijų, ryšių sistemų, automatikos raidą pakėlė į kokybiškai kitą lygį. Mikroelektronika užsiima integrinių grandynų kūrimu ir jų taikymo principais. integrinis grandynas vadinamas daugybės tarpusavyje sujungtų komponentų rinkinys – tranzistorių, diodų, rezistorių, jungiamųjų laidų, pagamintų vienu technologiniu procesu. Dėl šio proceso ant vieno kristalo vienu metu sukuriami keli tūkstančiai tranzistorių, kondensatorių, rezistorių ir diodų, iki 3500 elementų. Atskirų mikroschemos elementų matmenys gali būti 2–5 mikronai, jų taikymo paklaida neturi viršyti 0,2 mikrono. Šiuolaikinio kompiuterio mikroprocesorius, pastatytas ant. silicio kristalo dydis 6x6 mm, yra kelios dešimtys ar net šimtai tūkstančių tranzistorių.

Tačiau technikoje naudojami ir puslaidininkiniai įtaisai be p-n sandūros. Pavyzdžiui, termistoriai (temperatūrai matuoti), fotorezistoriai (fotorelėse, avariniuose jungikliuose, televizorių ir vaizdo registratorių nuotolinio valdymo pultuose).