Главная  Электронные лампы 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [ 33 ] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112]

Известно, iTo плотнсстн тока численно равна заряду (в кулонах), проходящему через единицу площади в I с. Следовательно,

ещ\х„Е,

(6.9)

(6.10) (6.11) (6.12)

о = е (р.,,п/4-fippc). (6.13)

В результате мы приходим к весьма важному выводу: удельная электронроеодность полупроводники зависит от концентрации электронов и дырок и от их подвижности. С учетом (6.2) и (б.З) получим

где е - заряд электрона; л,- - концентрация электронов. Аналогично для дырочного тока

Jp= epi\ipE.

Общая плотность тока

J =. J ,-\- J р- е + (Ярр,) Е.

В то же время плотность тока по закону Ома равна

J сЕ,

где 0 - удельная электропроводность вещества; Сравнивая (6.11) и (6.12), получаем

о р.р) «оехр

(6,14)

Эта формула показывает, что удельная электропроводность полупроводника зависит от 1ппа вещества (так как в формулу входят величины и Д W), а также от температуры. Чем выше температура, тем удельная электропроводность выше, Г1рнчем эта зависимость носит экспоненциальный характер.

6.3. ПРИМЕСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДРШКОВ

Наличие примесей существенно изменяет проводимость полупроводника.

В завР1симости от того, атомы какого вещества будут введены в кристалл, можно получить преобладание избыточных электронов или

дырок, т, е. получить полупроводник с электронной или дырочной проводимостью.

Проводимость, вызванная присутствием в кристалле полупроеод-ника примесей из атомов с иной валентностью, называется примесной. Примеси, вызывающие в полупроводнике увеличение свободных электронов, называются донорными, а вызывающие увеличение дырок - ак1еп тор ными.

Различное действие примесных атомов объясняется следующим образом. Предположим, что в кристалл германия, атомы которого имеют четыре валентных электрона (рис 6.5, а), введен атом вещества, имеющий на внешней орбите не четыре, а пять валентных электронов, например атом мышьяка. В этом случае атомы мышьяка своими четырьмя пз пяти валентными электронами вступают в связь с атомами кристаллической решетки германия (рис. 6.5, б]. Пятый валентный


Рис. 6.5, Примесная проводимость германия:

а - чистые германий; 6 - германий с донорной прнмссъю; в -- германке с аг;-цепторной примесью.



электрон мышьяка окажется не связанным, т. е. становится избыточнь м (свободным) электроном. Полупроводники, электропроводность которых повысилась благодаря образованию избытка свободных электронов при введении примеси, называются полупроводниками с электронной проводимостью, или сокращенно полупроводниками типа п. Введение в четырехвалентный полупроводник трехвалентного элемента, например индия (рис. 6.5, в), приводит, наоборот, к избытку дырок над свободными электронами. В этом случае ковалентные связи не будут полиостью завершены и образовавшиеся дырки могут перемещаться по кристаллу, создавая дырочную проводимость. Полупроводники, электропроводность которых обусловливается, в основном движением дырок, называются полупроводниками с дырочной проводимостью, или сокращенно полупроводниками типа р.

Для того чтобы примесная проводимость преобладала над собственной, концентрация атомов донорной примеси ;Уд ггли акцепторной примеси Ла должна превышать концентрацию собственных нюснтелей заряда, равную «/ - /j,-. Практически при изготовлении примесных полупроводников величины Лд или Na всегда во М[[ого раз превышают П;. Например, для германия, у которого прн комнатной температуре ni = pi~ 2,5 • 10 см"~, величины Лд и Л могут быть порядка Ю см"", т. е. в 1000 раз больше концентрации соб-ствен1]ых носителей. IV

Paccютpим более подробно процессы, происходящие в примесных полупроводниках.

Полупроводник к-типа. На рис.6,6,а Wn показаны энергетическая диаграмма полупроводника с донорной примесью и распределите Ферми - Дирака для этого случая. Атомы примеси обладают энергетическими уровнями, отличающимися от уровней собственного полупроводника. Так, пятивалентные примеси мышьяка, сурьмы, бора и других веществ имеют энергетические уровни валентных электро-1ЮВ вблизи зоны проводимости основного полупроводника. Величина AW между энергетическим уровнем валентных электронов примесных атомов (этот уровень обычно 1!азыБают примесным) и зоной проводимости составляет примерно 0,05 эВ. Поэтому уже при комнатной температуре почти все электроны с примесного уровня переходят в зону проводимости. В связи с этим кривая распределения Ферми - Дирака, а также уровень Ферми W-p смещаются вверх.

В полупроводнике и-типа концентрация электронов в зоне проводимости определяется выражением

V/f-О


to р

0.5 1,0 р 0,5

Рис. 6.6. Энергетические диаграммы и графики распределения Ферми - Дирака для примесных падупроводников: и - «-типа; б - р-ткпа.

Поскольку Лд tli, то

««-=Va. (6Л5)

Учитывая, что скорость рекомбинации носителей в полупроводнике пропорциональна концентрации электронов и дырок, по аналогии с (б"4} запишем

(6,16)

де Рп - концентрация дырок в полупроводнике /;-типа.



Ci;opocTb генерации в примесном полупроводиике д-типа остается практически той же, что и в собственном полупроводнике:

ген = А-

Таким образом, при длгамическом равновесии, когда F,, Vj.,,,,

Отсюда определяется рав1говесная концентрация дырок в примесном полупроводнике п-типа; ,

> Г)

п: п:

Из (G.18) вполне очевидно, что ко}1центрация дырок в полупроводнике с допоргюй примесью значительно меньше, чем в чистом беспримесном полупроводнике, т, е,

рп = -<Pi (б9)

Электроны, составляющие подавляющее большинство подвижных носителей заряда 3 полупроводниках п-типа, называют основными носителями заряда, а дырки - неосновными.

Полупроводник о-типа. В отличие от пятивалентных атомов донорной примеси у трехвалентных атомов акцепторной примеси (иидия, галлия, алюминия и др,), валентные электроны расположены на энергетическом уровне, находящемся в неносредственной близости от зоны валентных электронов собственного полупроводника. Величина Д \?р (см. рис. 6.6, б) составляет примерно 0,05 эВ. В связи с этим электроны валентной зоны легко переходят на примесный уровень («захватываются» трехвалентными атомами примеси). Следовательно, в валентной зоне появляется большое число дырок. Они будут заполняться другими электронами валентной зоны, на месте которых образуются новые дырки, и т. д. Таким образом, появляется возможность последовательного смещения электронов в валентной зоне, что обусловливает повышение проводгглюсти полупроводника. Кривая распределения Ферми - Дирака и уровень Ферми в этом случае смещаются вниз (рис. 6.6,6).

Концентрация дырок в полупроводнике р-типа равна

Вследствие того что pi N, получаем

РрЛа- (6-20)

Концентрация электронов при этом определяется соотношением, аналогичным (6.18):

г,? «2

(6.21)

Рр Ла

Следовательно, концентрация электронов н полупроводнике с акцепторной примесью значительно меньше, чем в собственном полупроводнике;

«д.= -дГ-««(. (6.22)

Таким образом, в отличие от полупроводников с донорной примесью в полупроводниках р-типа дырки являются основными носителя.ии заряда, а электроны - неосновныяи.

6.4. ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПРОВОДИМОСТИ ПРИМЕСНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

в соответствии с (6.13) удельная электропроводность собственного полупроводника

oeiyuilipPi).



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [ 33 ] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112]

0.001