Электропроводность твердых тел. Металлы, диэлектрики, полупроводники

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 4Следующая ⇒

Электропроводность твердых тел определяется наличием носителей зарядов способных под действием сил внешнего электрического поля перемещаться вдоль кристалла. В зависимости от величины электропроводности твердые тела подразделяются:

Ø Проводники (металлы) Ϭ > 10⁶-10⁷Cм/м

Ø Полупроводники

Ø Диэлектрики Ϭ < 10^-7-10^-8Cм/м

У проводников большое количество свободных электронов, у диэлектриков электроны удерживаются сильными ковалентными связями. У полупроводников структура аналогична диэлектрикам, но ковалентные связи значительно слабее. Достаточно сравнительно небольшого количества энергии полученного из внешней среды (облучение, нагрев…) для того, чтобы электроны полупроводника разорвали ковалентные связи и стали свободными. Диапазон энергии, в котором лежим энергия электрона удерживаемого ковалентной связью называется зоной валентности /валентной зоной. Диапазон энергии, в котором лежит энергия электрона разорвавшего ковалентную связь и ставшего свободным – зона проводимости. Графическое изображение этих энергетических зон – зонная энергетическая диаграмма.

Диэлектрики

У диэлектриков переход электрона из зоны валентности в зону проводимости под действием сил электрического поля невозможен поскольку ширина запрещенной зоны значительно больше энергии приобретаемой электроном на длине свободного пробега. У диэлектриков ширина запрещенной зоны достигает ≈ 10Эв

Полупроводники

У полупроводников ширина запрещенной зоны ниже (не более 3Эв), поэтому часть ее электронов благодаря энергии теплового движения даже при комнатной температуре может преодолеть запрещенную зону и принять участие в электропроводности.

Проводники

В проводниках электроны в связи с малой шириной запрещенной зоны, сравнимой с длиной свободного пробега электрона, а иногда и отсутствием этой зоны, могут даже под действием слабых полей свободно переходить в зону проводимости, участвуя в направленном движении.

Собственная проводимость полупроводников.

Полупроводники, у которых отсутствуют примеси называются собственные полупроводники или полупроводники i-типа (от англ. intrinsic – собственный) К полупроводниковым элементам, наиболее часто используемых, относятся элементы VI группы таблицы Менделеева.

В структуре нет свободных электронов, все они связаны ковалентными связями. Если электрон получил энергию больше чем ширина запрещенной зоны, он разрывает ковалентную связь и становится свободным. На его месте образуется вакансия, которая имеет положительный заряд равный по величине заряду электрона и называется дыркой. В полупроводнике i-типа концентрация электронов (n_i) равна концентрации дырок (n_p). Процесс образования пары электрон-дырка – генерация зарядов. Свободный электрон может занимать место дырки восстанавливая ковалентную связь и излучая при этом избыток энергии – рекомбинация зарядов. В процессе рекомбинации и генерации зарядов дырка как будто бы движется в обратную сторону от направления движения электрона, поэтому дырки принято считать положительным носителем заряда. Дырки и свободные электроны, образующиеся в процессе генерации носителей заряда – собственные носители заряда, а проводимость полупроводника за счет собственных носителей заряда – собственная проводимость

Такая проводимость требует подведения энергии из вне ( в виде тепла, света…). В реальных условиях сложно создать кристаллическую решетку полупроводника без примесей. В природе i проводники встречаются редко. Их получают химическим путем (выращивание полупроводникового кристалла). Техническое применение полупроводников i типа ограниченно.

Примесная проводимость

В большинстве случаев приходится иметь дело с примесными полупроводниками, в кристаллической решетке которых имеются атомы посторонних элементов. В электронных полупроводниковых приборах используются именно примесные полупроводники.

Если в четырёх валентный полупроводник (Si) ввести пяти валентную примесь, например Сурьмы (Sb), то четыре валентных электрона примеси восстанавливают ковалентные связи с атомами полупроводников, а один электрон остается свободным. За счет этого концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок. Примесь за счет которой концентрация свободных электронов превышает концентрацию дырок – донорная примесь. Полупроводники у которого – полупроводники с электронным типом проводимости, n-типа. В полупроводнике n-типа электроны – основные носители заряда, а дырки -неосновные.

При введении трёх валентной примеси (In), её валентные электроны восстанавливают ковалентные связи, а четвёртая ковалентная связь оказывается невосстановленной, т.е. имеется вакансия. В результате концентрация электронов меньше концентрации дырок Примесь, при которой концентрация дырок больше чем концентрация электронов – акцепторная примесь, а полупроводник – полупроводник p-типа с дырочным типом проводимости. В полупроводнике р-типа дырки – основные носители заряда, а электроны – неосновные. Реальное количество примесей в полупроводнике

Образование электронно-дырочного перехода

Необходимо соединить полупроводники двух типов. Ввиду неравномерной концентрации свободных носителей заряда на границе раздела p и n полупроводника возникает диффузионный ток , стремящийся выровнять концентрацию носителей зарядов. За счет этого тока электроны из n области переходят в область p.

Свободные электроны, отрываясь от атомов донорной примеси нарушают нейтральность его общего заряда и оставляют на своем месте положительные ионы донорной примеси, в свою очередь электроны, приходящие в p область рекомбинируют с дырками акцепторной примеси. При этом возникают нескомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси. Процесс обмена зарядами происходит в слоях близлежащих границе контакта полупроводников, при этом в области n типа близко к границе контакта будет образовываться слой из положительно заряженных ионов имеющих объемный положительный заряд. Для области p типа аналогично.

Образовавшееся внутреннее электрическое поле объемных зарядов вызовет встречный дрейфовый ток. Обмен зарядами происходит до тех пор, пока диффузионный и дрейфовый токи не уравняются. В образовавшейся области объемных зарядов отсутствуют свободные носители зарядов, поэтому слой в близи границы контакта обладает высоким сопротивлением. В ООЗ возникает внутреннее электрическое поле - тормозящее для основных носителей заряда, зато для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим и будет переносить их в область, где они станут основными, эта область называется p-n переходом. Ширина p-n перехода десятые доли микрометра. Распределение потенциала по ширине полупроводника – потенциальная диаграмма. Разность потенциалов, возникающая в p-n переходе – контактная разность потенциалов или потенциальный барьер (ПБ)

Потенциальная диаграмма

Для того, чтобы основной носитель заряда смог преодолеть переход, его энергия должна быть достаточной для преодоления ПБ. Величина ПБ зависит от соотношения концентрации основных или неосновных носителей заряда и определяется:

k- постоянная Больцмана,

Т – абсолютная температура тела полупроводника,

е – заряд электрона

Вывод: величина U_k зависит от уровня легирования полупроводника примесями и увеличивается с ростом легирования.

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒