Вопрос 2 Проводимость примесных полупроводников.

 

Проводимость полупроводников, обусловленная электронами, перешедшими в зону проводимости с донорных уровней, и дырками, образовавшимися при переходе электронов из валентной зоны на акцепторные уровни

Описание

Примесной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная электронами, которые перешли в зону проводимости с донорных уровней Ed, расположенных вблизи Ec, и дырками, которые образовались в валентной зоне при переходе электронов на акцепторные уровни Ea, расположенные вблизи Ev (рис. 1а, 1б).

 

Примесный полупроводник n-типа

 

 

Рис. 1а

 

Примесный полупроводник p-типа

 

 

Рис. 1б

 

Обычно донорные и акцепторные уровни в запрещенной зоне полупроводника образуются при легировании, т.е. введением определенной примеси в собственный полупроводник. Таким образом можно сказать, что примесная проводимость обусловлена ионизацией атомов примеси в полупроводнике.

В полупроводниках IV группы таблицы Менделеева (Ge, Si) донорные уровни вблизи Ec образуют элементы V группы (Sb, As), а акцепторные уровни вблизи Ev - элементы III группы (In, Ga).

Величина примесной проводимости:

 

sпр = e(mnn + mpp),

 

где n - концентрация электронов с доноров в зоне проводимости;

p - концентрация дырок с акцепторов в валентной зоне;

mn; mp - подвижности электронов и дырок, соответственно.

 

Если примесная проводимость обусловлена в основном электронами с донорных уровней (mnn > > mpp), т.е. электроны являются основными носителями заряда, то говорят об электронной проводимости полупроводников, или полупроводниках n-типа; если же преобладает проводимость, обусловленная дырками, образовавшимися вследствие ухода электронов на акцепторные уровни (mpp > > mnn), то говорят о дырочной проводимости, или полупроводниках p-типа, где основными носителями заряда являются дырки. Если в полупроводниках n-типа (p-типа) глубина примесного уровня Ed (или Ea) в данной области температура Т меньше, чем kT (k - постоянная Больцмана), то практически все доноры полностью ионизированы (или акцепторы заполнены электронами)(см. рис. 2а, 2б).

 

Примесный полупроводник n-типа

 

 

Рис. 2а

 

Примесный полупроводник p-типа

 

 

Рис. 2б

 

Если в этой области температура и собственная проводимость мала, т.е. Nd или Na > > ni = pi (Nd - концентрация доноров, Na - концентрация акцепторов ni, pi - концентрации собственных носителей), то концентрация основных носителей заряда равна примерно концентрации донорной (или акцепторной) примесей:

n@Nd (в полупроводнике n-типа);

n@Na (в полупроводнике p-типа);

В общем случае, т.е. при неполной ионизации примесей и наличии собственной проводимости, концентрации носителей заряда определяются формулами:

 

n = 2(2pmn*kT / h2)3/2exp(Ef /kT);

 

p = 2(2pmp*kT / h2)3/2exp(-Ef DE /kT),

 

где mn*, mр* - эффективные массы электронов и дырок в полупроводнике;

Ef - глубина уровня Ферми, зависящая от параметров примесных уровней.

 

Например, при T=300 K, в Ge (DE = 0, 78 эВ) при Nd = 1021 м-3, n = 1017 м-3.

Величина примесной проводимости при этой температуре:

 

sпр = 5Ч101 Ом -1м -1.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -3 до 2);

Время существования (log tc от -3 до 15);

Время деградации (log td от -3 до 2);

Время оптимального проявления (log tk от -1 до 1).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Техническая реализация эффекта

Техническая реализация - термистор (терморезистор). В среде с температурой T находится образец примесного полупроводника, например, n - Ge с примесью As. Измеряя зависимость проводимости образца от температуры, убеждаемся, что при охлаждении проводимось уменьшается. Если построить эту зависимость в логарифмических координатах, то видно, что она стремится к нулю при абсолютном нуле температуры.

Применение эффекта

Использующие явление примесной проводимости термисторы используются как датчики температуры. Принцип действия такого основан на изменении величины тока в цепи датчика при изменении температуры. Ток датчика изменяется из-за изменения примесной проводимости полупроводника. Например, термисторы из n - Ge с донорной примесью As применяются при измерении температуры жидкого гелия.

Кроме того, p-n переход, являющийся основой любых полупроводниковых электронных элементов, является следствием контакта двух полупроводников с примесными проводимостями.

 

⇐ Предыдущая123456789

Поделиться: