Полупроводник, проводимость и сопротивление полупроводника.
Полупроводник – материал, значение удельной проводимости которого занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и который отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от наличия и концентрации примесей, строения кристаллической решетки, температуры, воздействия различных видов излучения, в т.ч. оптического, внешнего электрического поля и иных факторов.
Полупроводник, суть полупроводника, его отличие от проводника и диэлектрика.
Проводимость и сопротивление полупроводника
Механизм электрической проводимости полупроводников
Носители зарядов в полупроводниках
Факторы, влияющие на проводимость полупроводника
Полупроводник, суть полупроводника, его отличие от проводника и диэлектрика. Проводимость и сопротивление полупроводника:
Полупроводник – материал, значение удельной проводимости которого занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и который отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от наличия и концентрации примесей, строения и дефектов кристаллической решетки, температуры, воздействия различных видов излучения, в т.ч. оптического, внешнего электрического поля и иных факторов.
В свою очередь, проводник – вещество, среда или материал, хорошо проводящие электрический ток. В проводнике имеется большое число свободных носителей заряда, то есть заряженных частиц, которые могут свободно перемещаться внутри объёма проводника и под действием приложенного к проводнику электрического напряжения создают электрический ток проводимости. Благодаря большому числу свободных носителей заряда и их высокой подвижности значение удельной электропроводности проводников велико.
Основным свойством полупроводников в отличие от проводников является увеличение электрической проводимости с повышением температуры. В то время как проводники ведут себя противоположным образом. С повышением температуры у проводников значение электрической проводимости уменьшается. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.
Диэлектрик – вещество или материал, относительно плохо проводящее электрический ток. Электрические свойства диэлектриков определяются их способностью к поляризации во внешнем электрическом поле.
Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10−5 Ом·м, а к диэлектрикам – материалы, у которых ρ > 108 Ом·м. Удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10−8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 1016 Ом·м.
Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий внешней среды и пр. факторов может изменяться в пределах от 10−5 до 108 Ом·м.
В некоторых случаях четкую границу между проводниками, полупроводниками и диэлектриками провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для проводников проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков – возбуждённым.
Для разграничения проводников, полупроводников и диэлектриков друг от друг используют понятие запрещенной зоны. Под запрещенной зоной понимается область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле. Ширина запрещённой зоны – это минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости.
Ширину запрещённой зоны обозначают Eg (от англ.: g = gap – «промежуток», «зазор») и обычно численно выражают в электрон-вольтах. Электрон-вольт (эВ) – это единица измерения энергии, используемая в физике полупроводников. Один электрон-вольт – это энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов 1 вольт.
Величина параметра Eg различна для разных материалов, она во многом определяет их электрические и оптические свойства. По ширине запрещённой зоны твёрдые вещества разделяют на проводники – тела, где запрещённая зона отсутствует, то есть электроны могут иметь произвольную энергию, полупроводники – в этих веществах величина Eg составляет от долей эВ до 3-4 эВ и диэлектрики – с шириной запрещённой зоны более 4-5 эВ. Граница между полупроводниками и диэлектриками условная.
К полупроводникам относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.).
Механизм электрической проводимости полупроводников. Носители зарядов в полупроводниках. Какие бывают полупроводники? Полупроводники р-типа. Полупроводники n-типа:
Механизм электрической проводимости безпримесных полупроводников может быть объяснен с помощью электронно-дырочного механизма.
Носителями зарядов в полупроводниках являются электроны и дырки.
В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи, в результате чего валентные электроны попарно связаны (объединены) смежными атомами. Для высвобождения из атома электронам необходим определенный уровень внутренней энергии. Эта энергия появляется в них при повышении температуры полупроводника, вследствие чего отдельные электроны получают энергию для отрыва от ядра. С ростом температуры число свободных электронов увеличивается.
Во время разрыва связи между электроном и ядром атома появляется свободное место в электронной оболочке атома, что обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Это свободное место, называемое дыркой, имеет условный положительный заряд, численно равный заряду электрона. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома.
Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.
С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, а удельное электрическое сопротивление уменьшается, в результате чего полупроводник начинает проводить электрический ток.
Дырки и свободные электроны совершают хаотические движения в течение некоторого времени – времени жизни, после чего попарно взаимно уничтожаются. Причем электроны и дырки всегда генерируют (образовываются) и рекомбинируют (уничтожаются) парами, а их количество одинаково.
Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.
В примесных полупроводниках (полупроводниках, у которого часть атомов кристаллической решетки замещена атомами другого вещества) механизм электрической проводимости объясняется (обусловливается) наличием примесных атомов, а проводимость, обусловленная наличием примесных атомов, называется примесной проводимостью.
В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон в кристалл полупроводника или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными.
Так, если в полупроводник ввести атом химического элемента, обладающего большей валентностью (а соответственно большим количеством валентных электронов), чем атомы полупроводника, то валентные электроны атома полупроводника и соседнего примесного атома образуют устойчивую попарную оболочку из восьми электронов, а “лишний” (“избыточный”) валентный электрон примесного атома оказывается слабо связанным с ядром примесного атома. Он (“лишний” валентный электрон) легко отрывается и становится свободным. В свою очередь примесный атом превращается в неподвижный ион с единичным положительным зарядом.
Например, если в такие материалы как германий (Ge) и кремний (Si), являющиеся четырехвалентными, ввести атом пятивалентного элемента, например фосфора (P), сурьмы (Sb) или мышьяка (As), то четыре из пяти валентных электронов этого примесного элемента вступят в связь с четырьмя электронами соседних атомов германия (Ge) или кремния (Si) и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов. Девятый электрон (“лишний”, “избыточный” электрон) оказывается слабо связанным с ядром пятивалентного элемента – фосфора (P), сурьмы (Sb) или мышьяка (As) и становится свободным. А атом фосфора (P), сурьмы (Sb) или мышьяка (As) превращается в неподвижный ион с единичным положительным зарядом (катион).
Свободные электроны примесного происхождения добавляются к собственным свободным электронам полупроводника. Поэтому проводимость полупроводника становится преимущественно электронной. Такие полупроводники называются электронными или n–типа. Примеси, обуславливающие электронную проводимость, называются донорными (отдающими электроны).
С другой стороны, если в полупроводник ввести атом химического элемента, обладающего меньшей валентностью (а соответственно меньшим количеством валентных электронов), чем атомы полупроводника, то валентные электроны атома полупроводника и соседнего примесного атома образуют попарную оболочку из электронов, а “недостающий” (восьмой) электрон для образования устойчивой оболочки из восьми электронов отбирается от ближайшего атома полупроводника. В результате чего у этого атома полупроводника образуется незаполненная связь – дырка, а атом примеси превращается в неподвижный ион с единичным отрицательным зарядом.
Например, если в такие материалы как германий (Ge) и кремний (Si), являющиеся четырехвалентными, ввести атом трехвалентного элемента галлия (Ga) или алюминия (Al), то все три его валентных электрона вступят в связь с четырьмя электронами соседних атомов германия (Ge) или кремния (Si). Для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки нужен дополнительный электрон, который отбирается у ближайшего атома германия (Ge) или кремния (Si). В итоге атом галлия (Ga) или алюминия (Al) превращается в неподвижный ион с единичным отрицательным зарядом (анион).
Дырки примесного происхождения добавляются к собственным дыркам, так что проводимость полупроводника становится преимущественно дырочной. Такие полупроводники называются дырочными или p–типа. Примеси, обуславливающие дырочную проводимость, называются акцепторными (захватывающими электроны).
Факторы, влияющие на проводимость полупроводника: температура,
На проводимость полупроводника влияет множество факторов:
– температура. При увеличении температуры увеличивается электрическая проводимость полупроводника. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков;
– наличие и концентрация примесей. Примеси могут быть либо паразитные, от которых не удается избавиться при очистке, либо полезные, которые вводятся в полупроводник специально для получения нужных свойств;
– строение и дефекты кристаллической решетки. Дефекты могут быть как внутри кристаллической решетки полупроводника (в виде отсутствия атома (пустого узла) или в виде наличия лишнего атома между узлами решетки (т.н. междуузельного атома)), так и в поверхностном и приповерхностном слое полупроводника (в виде нарушенных и отсутствующих связей в кристаллической решетке);
– воздействие различных видов излучения, в т.ч. ионизирующего, оптического и электромагнитного излучения;
– воздействие внешнего электрического поля;
– воздействие магнитного поля;
– совокупность указанных факторов.
Эффекты в полупроводниках:
В полупроводниках наблюдаются следующие эффекты:
Фоторезистивный эффект – изменение электрического сопротивления полупроводника, обусловленное исключительно действием оптического излучения и не связанное с его нагреванием.
Сущность этого явления состоит в том, что при поглощении квантов света (фотонов) с энергией, достаточной для ионизации собственных атомов полупроводника или ионизации примесей, происходит увеличение концентрации носителей заряда, в результате чего уменьшается сопротивление полупроводника. Для возникновения фоторезистивного эффекта необходимо, чтобы в полупроводнике происходило либо собственное поглощение оптического излучения с образованием новых пар носителей заряда, либо примесное поглощение с образованием носителей одного знака.
Кристалл-фотоэффект – возникновение электрического поля в однородном неравномерно освещенном полупроводнике;
Эффект поля в полупроводнике – изменение электропроводности приповерхностного слоя полупроводника под воздействием электрического поля;
Фотомагнитоэлектрический эффект – возникновение в полупроводнике электрического поля, напряженность которого перпендикулярна магнитной индукции и потоку диффундирующих частиц под действием электромагнитного излучения;
Термомагнитный эффект – возникновение поперечного градиента температур в полупроводнике при наличии продольного градиента температур и при воздействии поперечного магнитного поля;
Электротермический эффект – выделение или поглощение тепловой энергии, обусловленное продольным градиентом температуры при протекании электрического тока через однородный полупроводник;
Термогальванический эффект – возникновение поперечной напряженности электрического поля в полупроводнике вследствие наличия продольного градиента температур и поперечного магнитного поля;
Поперечный термогальваномагнитный эффект – возникновение поперечного градиента температур в полупроводнике вследствие разброса скоростей носителей при протекании электрического тока и при воздействии поперечного магнитного поля;
Продольный термогальваномагнитный эффект (эффект Нернста) – возникновение продольного градиента температур в полупроводнике вследствие разброса скоростей носителей зарядов при протекании через него электрического тока и при воздействии поперечного магнитного поля;
Магниторезистивный эффект – изменение электрического сопротивления полупроводника под действием магнитного поля;
Фотодиффузионный эффект (эффект Дембера) – возникновение ЭДС в однородном полупроводнике при освещении его сильно поглощаемым светом.
Если на однородный полупроводник воздействовать оптическим излучением, то в его поверхностном слое возникает избыточная концентрация электронов и дырок, которые будут диффундировать в глубину полупроводника. Коэффициент диффузии электронов значительно больше коэффициента диффузии дырок. Поэтому при диффузии электроны опережают дырки. Происходит некоторое разделение зарядов – поверхность полупроводника приобретает положительный заряд, а объем заряжается отрицательно. Таким образом, в полупроводнике при его освещении возникает электрическое поле или электродвижущая сила (ЭДС), которую иногда называют ЭДС Дембера;
Эффект Холла – возникновение поперечного электрического поля при протекании электрического тока через полупроводник, помещенный в магнитное поле;
Эффект Ганна – генерация высокочастотных колебаний электрического тока в полупроводнике под действием постоянного электрического поля.
Люминесценция – электромагнитное нетепловое излучение, которое наблюдается после поглощения телом (в нашем случае – полупроводником) энергии возбуждения.
Для возникновения люминесценции в полупроводнике атомы полупроводника должны быть выведены из состояния термодинамического равновесия, т.е. возбуждены. Они могут быть переведены в возбужденное состояние электрическим полем – электролюминесценция,
бомбардировкой полупроводника электронами – катодолюминесценция, освещением – фотолюминесценция. При люминесценции поглощение энергии полупроводником и излучение квантов света разделены во времени.
На практике наибольшее распространение получила электролюминесценция. На основе этого явления работают когерентные излучатели – инжекционные лазеры (диодные лазеры) и некогерентные – светоизлучающие диоды.
Источник: https://ru.wikipedia.org