4. Собственные и примесные полупроводники. Концентрация носителей в примесных полупроводниках.
В полупроводниках атомы связаны ковалентными связями, которые при низких температурах и освещенности прочны. С ростом же температуры и освещенности эти связи могут разрушаться, образуя свободный электрон и "дырку". Реальными частицами являются лишь электроны. Электронная проводимость обусловлена движением свободных электронов. Дырочная проводимость вызвана движением связанных электронов, которые переходят от одного атома к другому, поочерёдно замещая друг друга, что эквивалентно движению “дырок” в противоположном направлении. “Дырке” условно приписывается “+” заряд.В чистых полупроводниках концентрация свободных электронов и “дырок” одинаковы. Электронно-дырочная проводимость – проводимость, вызванная образованием свободных носителей заряда (электронов и “дырок”), образующихся при разрыве ковалентных связей, называется собственной проводимостью.
Примесная проводимость – проводимость, обусловленная образованием свободных носителей заряда при внесении примесей иной валентности (n) Донорная примесьnпримеси>nполупроводник Мышьяк в германий nприм. =5; nп/прово-к=4. Каждый атом примеси вносит свободный электрон. Полупроводники n – типа с донорной примесьюОсновныеносители зарядаэлектроныНеосновные носители о – “дырки”Проводимость электронная Акцепторная примесьnпримеси< n полупроводник
Индий в германий nприм. =3; nп/прово-к=4 Каждый атом примеси захватывает электрон из основного полупроводника, создавая дополнительную дырку.
5. Дрейфовое движение, подвижность носителей и ее зависимость от температуры и концентрации примесей.
Дрейф-упорядоченное движение подвижных носителей заряда в твёрдом теле под действием внеш. полей. Д. накладывается на их беспорядочное (тепловое) движение, но скорость Д.обычно мала по сравнению со скоростью теплового движения.
Подвижность носителей заряда в полупроводниках зависит от температуры, так как тепловое хаотическое колебание частиц мешает упорядоченному движению. Основные причины, влияющие на температурную зависимость подвижности это рассеяние на:
- тепловых колебаниях атомов или ионов кристаллической решетки;
- на атомах или ионах примесей;
- на дефектах решетки (пустых узлах, искажениях, связанных с внедрением иновалентных ионов, дислокациями, трещинами и т.д.).
При низких температурах преобладает рассеяние на примесях и подвижность m изменяется согласно выражению
где a - параметрполупроводника.
При высоких температурах преобладает рассеяние на тепловых колебаниях решетки
где b - параметр полупроводника. В примесном полупроводнике проявляются обе составляющие и зависимость подвижности от температуры определяется выражением
6.Дрейфовый и диффузионный токи.
Диффузия электронов из п-области полупроводника в р-область и дырок из р-области в п-область полупроводника, является причиной появления диффузионного тока основных носителей, протекающего через границу полупроводниковых сред. В одномерном случае плотность этого диффузионного тока jдиф (в дальнейшем – тока) равна:
jдиф=
jдиф.n+ jдиф.p =
где jдиф.n и jдиф.p– электронная и дырочная составляющие диффузионного тока;
Направление диффузионного тока совпадает с направлением диффузии дырок. В дальнейшем попавшие в n-область полупроводника неосновные носители тока - дырки рекомбинируют с основными носителями тока - электронами, а в p-области электроны рекомбинируют с основными носителями тока – дырками.
Потенциальный барьер jк препятствует перемещению основных носителей тока, но не препятствует движению через переход неосновных носителей, имеющихся в p- и n-областях. Эти неосновные носители тока, имеющие энергию теплового происхождения, генерируются в объёме полупроводника и, дрейфуя к p-n переходу, захватываются его электрическим полем E.
Дрейфовый ток неосновных носителей равен jдр = jдрn+ jдрp , где jдрn и jдрp – электронная и дырочная составляющие этого тока. Этот ток очень мал, так как концентрация неосновных носителей мала и по своему направлению он противоположен току диффузии jдиф .Поскольку через изолированный полупроводник ток проходить не должен, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие и общий ток через p-n переход равен j=jдиф - jдр = 0
Таким образом, без приложения внешнего напряжения два встречно-направленных потока носителей тока компенсируют друг друга. Характерной особенностью зонной диаграммы p-n перехода является изгиб границ энергетических зон в n- и p-областях полупроводника. Причиной изгиба зон является появление в p-n переходе контактной разности потенциалов jк. При этом в обедненной основными носителями и, соответственно, более положительно заряженной приконтактной области n-полупроводника, границы зоны проводимости jс и валентной зоны jv изгибаются вверх, а в отрицательно заряженной приконтактной области p-полупроводника границы зон изгибаются вниз.