Тема 1.1 Властивості напівпровідників

Напівпровідники (НП) належать до класу речовин, що мають тверду кристалічну структуру і за провідністю (10⁴ – 10^-10 См/см) займа­ють проміжне місце між провідниками (10⁴ - 10⁶ См/см) та діелект­риками (10^-10 См/см та менше).

Матеріали для виготовлення НП: кремній (Sі – має робочу температуру до 140 °С), германій (Gе - найбільша робо­ча температура 75 °С), арсенід галію (GаАs - працює при температу­рах до 350-400 °С), а також селен, телур, деякі окисли, карбіди та сульфіди.

Властивості НП:

- негативний температурний коефіцієнт опору - із збільшенням тем­ператури їх опір зменшується (у провідників - зростає);

- додання домішок призводить до зниження питомого опору (у про­відників - до збільшення);

- на електричну провідність впливають радіація, електромагнітне випромінювання.

Валентними називаються електрони, розташовані на зовнішній орбіті атома ре­човини. Вони найслабкіше зв'язані з ядром і визначають фізичні та хімічні властивості речовини.

НП мають кристалічну структуру. Між атомами кристалічних грат існують зв'язки. Вони утворюються валентними електронами, які взаємодіють не тільки з ядром свого атома, але і з сусідніми.

У кристалах германію зв'язок між двома сусідніми атомами здійснюється двома валентними електронами — такий зв'язок називається двохелектронним, або ковалентним.

Особливість двохелектронних зв'язків - при їх створенні електрони зв'язку належать вже не одному, а відразу обом, зв'язаним між собою атомам, тобто є для них спільними.

Кристалічні гратки, в яких кожен електрон зовнішньої орбіти зв'язаний ковалентними зв'язками з рештою атомів речовини, є ідеальними.

Під дією зовнішніх факторів деякі валентні електрони атомів кристалічних граток набувають енергію, достатню для звільнення від ковалентних зв'язків, тобто для переходу електронів з валентної зони в зону провідності (рис.1.2).

 

Рис.1.2- Енергетична структура НП   Рис.1.3- Виникнення пари електрон-дірка

                                                                Рис.1.4- Принцип діркової електропровідності

Діркою називається вільне місце при звільненні електрона від ковалентного зв'язку, що володіє елементарним позитивним зарядом, рівним по абсолютній величині заряду електрона, а процес утворення пари електрон — дірка називається генерацією зарядів (рис.1.3). Дірка володіє позитивним зарядом, тому вона може приєднати до себе електрон сусіднього заповненого ковалентного зв'язку. В результаті, цього відновлюється один зв'язок - цей процес називають рекомбінацією  і руйнується сусідній, тобто заповнюється одна дірка і одночасно з цим виникає нова у іншому місці. Такий генерац ійно -рекомбінац ійний процес безперервно повторюється, і дірка, переходячи від одного зв'язку до іншого, переміщується по кристалу (рис.1.4). За відсутності зовнішнього електричного поля електрони і дірки переміщуються в кристалі хаотично унаслідок теплового руху. В цьому випадку струм в напівпровіднику не виникає. Якщо ж на кристал діє електричне поле, рух дірок і електронів стає впорядкованим і в кристалі виникає електричний струм.

Провідність НП обумовлена переміщенням вільних електронів і дірок. У першому випадку носії зарядів негативні, в другому - позитивні. Відповідно розрізняють два види провідності напівпровідників - електронну, або провідність типу n (негативний), і дірчасту, або провідність типу р (позитивний).

Власна провідність виникає у хімічно чистому кристалі НП, де число дірок завжди дорівнює числу вільних електронів і електричний струм в ньому утворюється в результаті одночасного перенесення зарядів обох знаків. При цьому загальний струм в напівпровіднику рівний сумі електронного і дірчастого струмів. Власна провідність звичайно невелика, сам же НП відносять до і-типу.

Значно більшу провідність мають НП з домішками, до того ж її характер залежить від виду домішок.

Провідність, викликана присутністю в кристалі напівпровідника домішок з атомів з іншою валентністю, називається домішковою.

Домішка, що віддає вільні електрони, називається донорною. НП з переважаючою кількістю вільних електронів має назву НП з електрон­ною провідністю, або НП n-типу. Вільні електрони залишають у вузлах кристалічних граток нерухомі позитивно заряджені іони, що створю­ють у кристалі позитивний об'ємний заряд (рис.1.5).

      

 

Речовини, що відбирають електрони називають акцепторами («акцептор» - означає той, що «приймає»), а НП з пере­важною кількістю дірок - НП з дірковою провідністю, або p-типу (рис.1.6). У валентній зоні утворюються рухомі дірки, а атоми домішки перетворюються у негативні іони.

Пе­реважаючі у НП рухомі носії заряду мають назву основних, решта -неосновних.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: