Să luăm în considerare teoria cuantică a conductivității diferitelor substanțe. Amintiți-vă că conductivitatea se numește capacitatea purtătorilor de sarcină de a efectua mișcări direcționate în funcție de câmpul electric aplicat (purtători ai unei încărcări negative pe câmp, încărcare pozitivă asupra câmpului). În cazul substanțelor semiconductoare, sunt posibile două tipuri de conductivitate, în funcție de puritatea compoziției chimice a substanței.
Disting între semiconductori intrinseci și impurități. Printre ei apar semiconductori chimici pure, adică acești semiconductori, a căror compoziție include atomi (sau molecule) de un singur tip și nu există incluziuni străine. În astfel de semiconductori se observă numai conductivitatea intrinsecă.
conductie intrinseca are loc la trecerea de la nivelele superioare ale electronilor din banda de valență la banda de conducție în cazul primirii de energie suplimentară suficientă, care este egală cu (sau puțin mai mult), de exemplu, lățimea zonei interzise. Această energie, așa cum sa menționat în capitolul 9, electronul pot fi preparate prin vibrație termică sau latice sub acțiunea unei cuante de lumină h # 957; .
Fig. 12.1. Conductivitatea intrinsecă a unui semiconductor
Deoarece energia oscilațiilor termice este, de regulă, mult mai mică decât energia unui cuantic de lumină, ce fel de energie provoacă apariția conductivității depinde de lățimea benzii interzise a cristalului. Trecerea electronului în banda de conducere corespunde producției a două particule libere. Un electron a cărui energie este egală cu una din valorile permise din banda de conducție, precum și o gaură a cărei energie este egală cu una dintre valorile benzii de valență. Aceste particule sunt purtători ai curentului, cu contribuții la conductivitatea electronilor și a găurilor. Dacă aplicăm o diferență de potențial la un astfel de cristal, iar electronii și găurile se pot mișca de-a lungul întregului eșantion. Acest fenomen a fost deja luat în considerare în cea de-a doua prelegere, se numește efectul fotoalimentar intern.
Se poate găsi conductivitatea electrică a unei substanțe date. În acest scop, să folosim distribuția de energie a electronilor și a găurilor (a se vedea secțiunea 10). Deoarece electronii și găurile sunt fermioane, adică particulele cu rotație pe jumătate întregi, înseamnă că ele respectă statisticile Fermi-Dirac:
Parametrul EF este numit energia Fermi. Nivelul Fermi este un nivel virtual care corespunde mediei între toate stările ocupate și toate statele libere, cu condiția ca ambele să aibă același număr. În mod ideal, toate nivelurile libere sunt situate deasupra nivelului Fermi, toate ocupate - de mai jos. Cu toate acestea, în cristalele reale nivelul liber poate fi sub nivelul Fermi, dacă există un nivel ocupat de electroni deasupra nivelului Fermi. Pentru metale, nivelul Fermi se află în banda de conducere. Pentru semiconductorii proprii (de exemplu, pur), energia Fermi la temperatura camerei corespunde aproximativ la mijlocul benzii interzise, astfel:
unde Eg este lățimea benzii interzise.
Numărul de electroni transferați în banda de conducție (precum și găurile rămase în banda de valență) vor fi proporționale cu probabilitatea ca electronul să aibă energia corespunzătoare:
Conductivitatea, evident, depinde de numărul de transportatori liberi, adică și este proporțional cu funcția f (E):
Se poate observa că conductivitatea electrică a semiconductorilor intrinseci crește exponențial cu temperatura (Figura 12.2). Măsurând conductivitatea electrică a unui semiconductor la diferite temperaturi, putem determina lățimea benzii interzise. În coordonatele semi-logaritmice (ca în figura 12.2), panta pantei liniei drepte va fi proporțională cu Eg.
Fig. 12.2. Dependența conductivității electrice
propriul semiconductor de temperatură
Ne amintim că conductivitatea electrică a metalelor scade liniar cu creșterea temperaturii. Această diferență se explică prin faptul că natura conductivității în semiconductori și metale este fundamental diferită.
Proprietățile electrice și optice ale semiconductoarelor impuritate depind de impuritățile naturale sau introduse artificial. Desigur, pentru gestionarea eficientă a proprietăților materialului este necesar un control strict al cantității de impurități în compoziția substanței, o astfel de introducere controlată a unei impurități se numește dopaj. Crearea unei anumite concentrații de impurități este o sarcină destul de complicată, dar realizabilă. Trebuie să se înțeleagă că unele dintre substanțe conțin în mod inevitabil o anumită cantitate de impuritate naturală. În astfel de cazuri, influența sa asupra proprietăților optice și electrice ale materialului trebuie studiată și luată în considerare ulterior.
Să luăm în considerare mecanismul de conducere a impurităților prin exemplul semiconductorilor clasici Ge. și Si. Ambele elemente sunt tetravalente, iar atomii din cristal sunt legați prin forțe covalente. Acest lucru înseamnă că fiecare atom din rețea este înconjurat de patru atomi și este conectat la ele, având o pereche comună de electroni.
Fig. 12.3. O imagine aplatizată a unei rețele de cristal
cristal ideal 4-valență
Dacă cristalul este ideal, atunci toate legăturile din jurul atomului sunt saturate - nu au locuri libere și nu există electroni liberi în spațiul dintre atomi (Figura 12.3).
Să presupunem că un atom, a cărui valență este încă una (atomul de fosfor P într-un cristal Ge), este în cristal în locul unuia dintre atomii de bază. 4 din cei 5 electroni ai fosforului vor fi distribuiți între atomii de germaniu din vecinătate, iar cel de-al cincilea va fi ținut împreună printr-o cuplare destul de slabă (Figura 12.4).
Fig. 12.4. O imagine aplatizată a unei rețele de cristal
Ge cu un amestec de fosfor 5-valent
Această conexiune poate fi ușor deranjată de încălzirea cristalului sau de iluminarea acestuia. Electronul rupt va fi liber și atunci când se va aplica diferența de potențial, se poate trece la partea corespunzătoare. O impuritate care adaugă electroni liberi unui cristal este numită donator.
Schema energetică a impurității donatorului va corespunde unui nivel situat la o anumită distanță de partea inferioară a benzii de conducere. Distanța dintre nivelul impurităților și banda de conducere este proporțională cu eficiența energetică. care este necesar pentru detașarea unui electron de impuritate de la atomul de bază, adică pentru a transfera electronul în stare liberă (Figura 12.6 a). Fapt dezlipire de electroni din atomii lor și mutați-l la o stare liberă este trecerea unui electron în banda de conducție. Nivelul donatorului, eliberat în același timp, poate captura mai târziu, oricând, orice electron liber - adică conexiunea ruptă a fosforului poate servi drept stocare pe termen scurt a electronilor.
Deci, ca rezultat obținem un electron de conducție și, spre deosebire de conductivitatea intrinsecă (vezi mai sus), nu se formează o gaură liberă. Curentul înregistrat în acest caz va fi în principal contribuit de electroni, care sunt principalii purtători de sarcină într-un astfel de semiconductor, iar găurile nu sunt de bază. Tipul de conductivitate dintr-un astfel de cristal se numește electron sau tip n, iar cristalul însuși primește statutul de cristal conducător de electroni sau de cristal de tip n.
Dacă într-un cristal tetravalent intra impurități trivalentă, este una dintre cele patru legături ale unui atom situat în apropierea unei impurități este nesaturată datorită absenței patrulea electron (Fig. 12.5). Un astfel de loc gol (gaura) captează cu ușurință un electron dintr-un nod învecinat - aceasta corespunde unei treceri de gaură într-o stare liberă.
Fig. 12.5. O imagine aplatizată a unei rețele de cristal
Si cu o impuritate de 3-valent de bor
Când se aplică o diferență de potențial la cristal, gaura se mișcă în același mod ca electronul de conducere, numai în direcția opusă. Astfel, un cristal cu impurități de acest tip va avea un tip de găurire de conductivitate sau poate fi numit un cristal de tip p. În schema energetică, apariția unei impurități, care în acest caz este numită acceptor. va fi reflectată de apariția unui nivel în banda interzisă din apropierea vârfului benzii de valență mai mare cu impuritatea E. La acest nivel, un electron va fi capturat de la nivelul ocupat în banda de valență, caz în care va rămâne o gaură liberă (Figura 12.6b).
Fig. 12.6. Conductivitatea impurităților: a) electron, b) gaură
Este evident că în cristalele cu conductivitate de tip p, numai găurile sunt libere, electronii liberi nu apar fără o energie suplimentară raportată. Gaurile sunt principalele suporturi de încărcare, iar electronii nu sunt de bază. În consecință, curentul va fi o mișcare ordonată de găuri predominant (direcția mișcării lor coincide cu direcția curentului).
Specificitatea donor și acceptor impuritatea astfel încât nivelul lor de energie la circuitul poate fi poziționat în raport cu zonele de numai într-un anumit fel: nivelurile de impuritate donoare indicate în partea superioară a benzii interzise, acceptoare - în partea de jos. Apariția unei impurități în cristal conduce la o schimbare a poziției nivelului Fermi (vezi mai sus).
În special, pentru un cristal cu impuritate donator, nivelul EF crește, în timp ce pentru un cristal cu impuritate acceptoare se deplasează în jos (figura 12.6). Nivelul Fermi este o caracteristică importantă a unui semiconductor, în special, fără utilizarea acestui concept, teoria tranzițiilor PN nu este completă.
Se adaugă faptul că, în obținerea unui cristal cu conductivitate impuritate, pot fi utilizați atomi și alte valențe ca impurități care trebuie introduse. Apoi diferența de valențe arată cât de mulți purtători de sarcină liberi (electroni sau găuri) fiecare atom de impuritate aduce în cristal.
Pentru a obține o conductivitate electrică ridicată a materialului, este necesar să existe o concentrație mare de purtători de sarcină în probă (numărul de purtători de sarcină pe unitatea de volum a cristalului). Acest lucru se realizează prin introducerea controlată a unei impurități de tipul cerut. Tehnologiile moderne ne permit să luăm în considerare numărul atomilor introduși literalmente individual. Măsurați concentrația purtătorilor de sarcină, precum și determinarea tipului lor (electron sau gaură) prin utilizarea efectului Hall (a se vedea cursul electromagnetismului).
În general, conductivitatea unui material semiconductor constă în conductivitate intrinsecă și impuritate:
Conductivitatea impurităților are, de asemenea, ca atare o dependență de temperatură exponențială.
La temperaturi joase relativ ridicate, conductibilitatea impuritatilor joaca rolul principal (figura 12.7 parcela I). Din panta dependenței directe a conductivității de temperatura în coordonatele semilogaritmice, putem determina energia de activare a impurității impurității E. deoarece tg # 945; p este proporțională cu adâncimea nivelului de impuritate din banda interzisă.
Cu o temperatură în creștere, când toți atomii de impurități sunt deja implicați, într-un anumit interval de temperatură conductivitatea rămâne constantă (figura 12.7, graficul II).
Fig. 12.7. Dependența conductivității electrice a unui semiconductor la temperatură
Pornind de la temperatura de activare a conductivității intrinseci, se observă din nou rezistența materialului (figura 12.7, figura III). Panta porțiunii corespunzătoare tg # 945; GSS proporțională cu energia de activare a conductiei semiconductor proprii, adică lățimea zonei sale interzise.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: