Файл: 1. Классификация материалов по электрическим свойствам. Виды проводников, полупроводников, диэлектриков с примерами.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 27.04.2024
Просмотров: 30
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Примесные атомы называют акцепторами.
Типичными акцепторами для кремния и германия являются алюминий, бор, галлий, индий.
Уровень Ферми является одним из основных параметров, характеризующих электронный газ в полупроводниках. При очень низких температурах уровень Ферми в полупроводнике n-типа лежит посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем. С повышением температуры вероятность заполнения электронами с донорных уменьшается, и уровень Ферми перемещается вниз. При высоких температурах полупроводник по свойствам близок к собственному, а уровень Ферми устремляется к середине запрещенной зоны (рис. 3.5). Все рассмотренные закономерности аналогичным образом проявляются и в полупроводниках p типа.
13. Концентрация носителей заряда в собственных полупроводниках. Эффективные плотности состояний. Положение уровня Ферми. Температурная зависимость концентрации носителей заряда.
Собственный полупроводник
В единичном объеме конкретного полупроводника при данной температуре находится определенное количество свободных носителей, которое называется концентрацией.
Для нахождения концентрации носителей необходимо учесть число имеющихся в разрешенной зоне (зона проводимости для электронов и валентная зона для дырок) свободных энергетических уровней N(), принимая во внимание принцип Паули.
В теории твердого тела показано, что плотность энергетических уровней N (плотность состояний), приходящихся на единичный интервал энергии, зависит от энергии (рис. 3.4а)
В системах частиц, описываемых антисимметричными волновыми функциями, осуществляется распределение Ферми-Дирака. Этой статистикой описывается поведение систем фермионов (электронов, протонов, нейтронов) – частиц, подчиняющихся принципу Паули и имеющих полуцелый спин (±1/2). Вероятность заполнения разрешенных уровней определяется функцией Ферми-Дирака (рис. 3.4б), содержащей в качестве параметров состояния температуру и энергию уровня Ферми:
Если число электронов (или дырок), приходящихся на любой энергетический интервал, меньше числа возможных состояний, то такой полупроводник называется невырожденным.
Невырожденными полупроводниками являются нелегированные и слабо легированные полупроводники
В невырожденных полупроводниках электроны и дырки имеют энергию, значительно отличающуюся от энергии Ферми. Разность F , как правило, более чем в три раза превышает значение kT .
Полупроводники становятся вырожденными при высоких концентрациях примесей, когда число подвижных носителей превышает число возможных состояний.
14. Концентрация носителей заряда в примесных полупроводниках. Закон действующих масс в примесных полупроводниках. Зависимость концентрации носителей заряда от положения уровня Ферми. Температурная зависимость концентрации основных и неосновных носителей заряда.
Концентрация равновесных носителей заряда зависит от положения уровня Ферми. В электронном полупроводнике концентрация электронов в основном обусловлена переходом электронов с энергетических уровней d на энергетические уровни зоны проводимости. Поэтому концентрация nn должна быть равна концентрации ионизированных доноров:
Из изложенного можно сделать выводы:
концентрация как основных, так и неосновных носителей заряда зависит от положения уровня Ферми;
введение в полупроводник примесей сдвигает уровень Ферми относительно середины запрещенной зоны в электронном полупроводнике вверх, а в дырочном – вниз;
повышение температуры полупроводника сдвигает уровень Ферми к середине запрещенной зоны;
увеличение концентрации примесей повышает концентрацию основных носителей заряда и уменьшает концентрацию неосновных носителей заряда.
В зависимости концентрации подвижных носителей от температуры можно выделить три характерных участка. В области достаточно низких температур концентрация носителей изменяется в основном за счет переходов электронов с донорного уровня в зону проводимости или за счет переходов электронов из валентной зоны на акцепторный уровень с образованием свободных дырок. Это область вымораживания, которая заканчивается при достижении некоторой температуры T1100 К , когда происходит полная ионизация примесных уровней. Дальнейшее увеличение температуры не приводит к увеличению концентрации подвижных носителей (область истощения примесей). Начиная с некоторой более высокой температуры T2 400 К концентрация подвижных носителей снова начинает возрастать вследствие процесса образования электронно-дырочных пар при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости. Этот участок относится к собственной проводимости. Практически полупроводниковые приборы работают в основном в области истощения примесей.
Таким образом, чем больше вводится электронов, тем меньше концентрация дырок.
15. Процессы переноса носителей заряда в полупроводниках. Диффузионный и дрейфовый токи. Соотношение Эйнштейна. Удельное электрическое сопротивление.
Тепловое движение носителей характеризуется средней длиной свободного пробега между столкновениями с ионами и средней скоростью. Причем средняя скорость направленного движения равна нулю. При приложении электрического поля Е к полупроводнику на носители начинает действовать сила, направление которой определяется направлением поля. В результате на хаотическое движение носителей накладывается направленное движение, называемое дрейфом.
В электрическом поле Е на носители заряда с эффективной массой m действует сила F = q*E, которая сообщает ему ускорение a=F/m*= qE/m* . За время движения без столкновений с ионами решетки или дефектами носитель заряда приобретает скорость
Электропроводность полупроводников
Направленное движение носителей в приложенном электрическом поле представляет собой электрический ток, также называемый дрейфовым током.
Для полупроводника n-типа главную роль играет электронная электропроводность
Для полупроводника р-типа главную роль играет дырочная проводимость
Помимо дрейфа подвижных носителей вклад в электрический ток может вносить диффузионное движение носителей. Как известно, диффузия представляет собой направленное перемещение носителей вследствие их неодинаковой концентрации в различных частях кристалла. Плотность тока будет пропорциональна градиенту концентрации подвижных носителей (dn/dx или dp/dx);
16. Неравновесные носители заряда в полупроводниках. Инжекция и экстракция. Время релаксации. Распределение концентрации во времени и пространстве.
Неравновесные носители заряда
Неравновесное состояние полупроводника возникает под влиянием каких-либо внешних воздействий, в результате которых концентрация носителей заряда в полупроводнике может измениться. Такими внешними воздействиями могут быть облучение светом, ионизирующее облучение, воздействие сильного электрического поля и ряд других.
В результате подобных воздействий в полупроводнике помимо равновесных носителей заряда, образующихся вследствие ионизации примесных атомов и тепловой генерации, появляются дополнительные носители заряда, которые называют неравновесными, или избыточными.
В полупроводниковых приборах неравновесное состояние в большинстве случаев возникает при введении в полупроводник (или выведении из него) дополнительных носителей заряда через электронно-дырочный переход. Введение дополнительных носителей заряда называют инжекцией, а выведение – экстракцией.
Увеличение концентрации электронов на поверхности дырочного полупроводника, вызванное инжекцией, ведет к появлению диффузионного электронного потока, направленного вдоль оси х, перпендикулярной поверхности полупроводника, в результате чего концентрация электронов возрастает не только на поверхности, но и в глубине полупроводника. При этом инжектированные электроны углубляются в полупроводник на разные расстояния, где рекомбинируют с дырками. В случае, когда уменьшение концентрации электронов в элементарном объеме, вызванное рекомбинацией, компенсируется инжекцией в него новых электронов, избыточная концентрация электронов сохраняется неизменной во времени. Избыточная концентрация изменяется вдоль оси х по экспоненциальному закону, а величина Ln , называемая диффузионной длиной, представляет собой расстояние, на котором избыточная концентрация уменьшается в е раз.
При прекращении инжекции избыточная концентрация электронов с течением времени будет уменьшаться, что отражено на рис, где показаны распределения концентрации в различные моменты времени.
Распределение избыточной концентрации дырок при инжекции электронов в дырочный полупроводник имеет такой же характер, как и распределение, как и распределение избыточной концентрации электронов, однако физические причины, вызывающие увеличение концентрации электронов и дырок, различны.
Возрастание концентрации электронов вызвано инжекцией электронов в полупроводник из внешней цепи, а возрастание концентрации дырок вызвано возникновением внутреннего поля, которое притягивает дырки из глубины полупроводника. В итоге возникает градиент концентрации как электронов, так и дырок.
Из-за наличия градиента концентрации электроны диффундируют вглубь полупроводника, встречаются с дырками и рекомбинируют с ними. На смену рекомбинировавшим электронам из внешней цепи поступают новые электроны, а на смену рекомбинировавшим дыркам из глубины полупроводника поступают новые дырки. Казалось бы, что одновременно с диффузией электронов должна существовать и диффузия дырок, однако этого не происходит. Объясняется это тем, что диффузия дырок, если бы она возникла, привела бы к увеличению напряженности внутреннего электрического поля, которое вернуло бы дырки назад, то есть стремление дырок к диффузии уравновешивается силами внутреннего электрического поля.