- •Атомная физика
- •1. Интерференция света
- •2. Дифракция света
- •2. Закон Кирхгофа
- •5. Фотоны
- •Параметры фотонов
- •Давление света
- •6. Боровская теория атома
- •7. Волновые свойства микрочастиц
- •8. Задачи квантовой механики
- •10. Зонная теория твердого тела
- •2 . Деление твердых тел на проводники, полупроводники и
- •4. Собственная проводимость полупроводников
- •11. Контакт полупроводников с разным типом
- •12. Ядро атома, радиоактивность
- •13. Ядерные реакции
- •14. Термоядерный синтез
- •15. Элементарные частицы
- •4. Кварки
4. Собственная проводимость полупроводников
При нуле абсолютной температуры теплового движения нет, а электрическое поле не в состоянии сообщить добавочную энергию электрону для перехода в зону проводимости и кристалл является изолятором. Но при комнатной температуре энергия теплового движения уже достаточна для ионизации атомов. Освободившиеся электроны переходят в зону проводимости и получают право перемещаться по кристаллу. Концентрация свободных электронов в зоне проводимости определяется распределением Больцмана
. (1)
Здесь n0 – концентрация всех валентных электронов, Ε – ширина запрещенной зоны или энергия активации, кТ – мера энергии теплового движения электрона, равная произведению постоянной Больцмана на абсолютную температуру. Сопротивление кристалла обратно пропорционально концентрации электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, поэтому
. (2)
Здесь R0 – сопротивление полупроводника, если бы все валентные электроны стали свободными. Коэффициент «2» учитывает энергию активации, приходящуюся на два возникающих вместе заряда – на электрон и дырку. В чистом полупроводнике число свободных электронов равно числу дырок, они являются носителями заряда.
5. Примесная проводимость полупроводников
В лияние примесей в полупроводниках на электропроводность также объясняет зонная теория. Если, например, в кристалл 4-валентного полупроводника внести атом 5-валентной примеси, например фосфора, то один электрон окажется слабо связан с ядром атома. Его энергия будет чуть меньше, чем у свободных электронов и его энергетический уровень будет расположен близко ко дну зоны проводимости (рис. 2). Этот уровень энергии называется донорным. Энергия активации Едон для перехода электрона с донорного уровня в зону проводимости сравнительно мала. В кристалле, в зоне проводимости появляются электроны, они являются основными носителями электрического заряда. Это полупроводники n-типа.
Если в кристалл 4-валентного полупроводника внести атомы 3-валентной примеси, например индия, бора, то одна связь окажется незаполненной. Образуется дырка. Энергия электрона, занявшего дырку, немного больше, чем у других валентных электронов. Этот уровень энергии, называемый акцепторным, чуть выше потолка валентной зоны. Получив добавочную энергию Еакц,, на акцепторный уровень переходят электроны из валентной зоны, а в валентной зоне остается дырка. Дырки являются основными носителями заряда. Такие кристаллы называются полупроводниками p-типа (рис. 2).
Примесная составляющая сопротивления полупроводников определяется формулой
. (3)
Полная электропроводность кристалла полупроводника складывается из собственной и примесной. При сравнительно низких температурах главную роль играет примесная проводимость, так как энергия активации примеси невелика. Но с ростом температуры, при почти полной ионизации сравнительно небольшого числа атомов примеси, рост концентрации электронов и дырок прекратится. Зато растет число электронов и дырок при ионизации собственных атомов кристалла. Собственная проводимость становится преобладающей при высоких температурах.
Е сли уравнения (2) и (3) прологарифмировать, то получим линейные уравнения для собственной и для примесной проводимости
, (4) . (5)
Логарифмы обоих видов сопротивлений линейно зависят от обратной температуры (рис. 3). Их угловые коэффициенты соответственно будут равны . Таким образом, можно по графику определить энергию активации. Если она будет около электрон-вольта, то это собственный полупроводник, если доли электрон-вольта, то это примесный полупроводник.