No Image

Что является носителем заряда

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
22 января 2020

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Виды и структура полупроводников.

К полупроводникам относятся вещества с удельной электропроводностью s в интервале 10 -10 4 См/см. Вещества с меньшей электропроводностью относят к диэлектрикам, с большей – к металлам. Эти границы условны, особенно между диэлектриками и полупроводниками. Главное различие между полупроводниками и металлами заключается в том, что у металлов удельное сопротивление возрастает с ростом температуры, а у полупроводников – падает.

К полупроводникам относится большая группа веществ, но в производстве приборов используются лишь немногие, главным образом, германий Ge, кремний Si, арсенид галлия GaAs и некоторые другие.

Структура полупроводников.

Кристаллическая решетка.

Применяемые в электронике полупроводники имеют, как правило, монокристаллическую структуру, т.е. во всем объеме вещества атомы размещены в узлах строго определенной единой кристаллической решетки. Кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек той или иной формы и размера. В случае простейшей кубической решетки ребро элементарной ячейки – куба – является постоянной решетки.

В германии и кремнии атомы образуют кубическую решетку типа алмаза, где каждый атом связан с 4-мя ближайшими соседями ковалентной связью. Для наглядности эту решетку можно представить в виде плоской модели (рис.1.1а), где двойные черточки, связывающие атомы, отображают ковалентную химическую связь, образованную двумя электронами.

Дефекты решетки.

Структура кристалла никогда не бывает идеальной, всегда имеются дефекты решетки и дислокации (смещения плоскостей решетки).

Дефекты точечного типа могу иметь вид пустого узла (дефект по Шоттки), совокупности пустого узла и междуузельного атома (дефект по Френкелю) или чужеродного атома – примеси. Любой реальный кристалл содержит примеси – либо паразитные, от которых не удается избавиться при очистке, либо полезные, которые вводятся специально для получения нужных свойств кристалла. Примеси могут располагаться либо между узлами решетки (примесь внедрения), либо в самих узлах вместо основных атомов (примесь замещения).

Поверхность кристалла.

На поверхности кристалла часть ковалентных связей оказывается разорванной, что приводит к нарушению энергетического равновесия. Равновесие восстанавливается различными путями: может измениться расстояние между атомами в приповерхностном слое; может произойти захват – адсорбция – чужеродных атомов или молекул; может образоваться химическое соединение (например, окисел), не имеющее незаполненных связей на поверхности, и т. п. В любом случае структура тонкого приповерхностного слоя (толщиной несколько нанометров) отличается от структуры основного объема кристалла и этот слой следует рассматривать как особую область кристалла.

Носители заряда в полупроводниках.

В полупроводниках существуют два вида носителей заряда – электроны и дырки. В структуре на рис.1а нет свободных носителей заряда – все электроны связаны с атомами и не могут перемещаться по кристаллу, вещество не проводит электрический ток, т.е. является диэлектриком. Но такое положение существует только при абсолютном нуле температуры. С ростом температуры возрастает энергия колебательных движений атомов, и некоторая часть электронов приобретает энергию, достаточную для отрыва от атома. Оторвавшийся электрон может свободно перемещаться по кристаллической решетке. В том месте, откуда выбит электрон, образуется некомпенсированный положительный заряд, равный заряду электрона. Это и есть дырка. Она также может свободно перемещаться по кристаллу за счет перескока валентного электрона с соседних атомов, в результате дырка оказывается у соседнего атома и далее этот процесс повторяется. В результате образуется электронно-дырочная пара, как показано на рис.1б, где дырка обозначена мелким светлым кружком, электрон – темным. Этот процесс принято описывать как результат столкновения электрона с фононом. Фонон – квант энергии колебательных движений атомов кристаллической решетки. При столкновении фонон исчезает, его энергия передается электрону.

Процесс образования электронно-дырочных пар под действием теплового движения называется термогенерацией. Наряду с термогенерацией идет и обратный процесс – рекомбинация, – когда свободный электрон соединяется с дыркой и восстанавливается валентная связь, пара носителей исчезает.

Собственные и примесные полупроводники.

Собственный полупроводник – беспримесный и бездефектный полупроводник с идеальной кристаллической решеткой. В собственном полупроводнике электроны и дырки всегда образуются парами и их концентрации и равны:

Здесь n и p – концентрация электронов и дырок соответственно, индексом “i” обозначают свойство, относящееся к собственному полупроводнику.

Примесные полупроводники содержат атомы посторонних элементов, встроенные в кристаллическую решетку. Примеси специально вводят в полупроводник для изменения его электрофизических свойств (этот процесс называется легированием). В примесных полупроводникахконцентрации электронов и дырок могут отличаться на много порядков.

Примеси бывают донорные, акцепторные и нейтральные.

Для четырех валентных элементарных полупроводников, таких как германий и кремний, донорными примесями являются атомы пятивалентных элементов, таких как фосфор P, мышьяк As, сурьма Sb, акцепторными – атомы трехвалентных элементов: бор B, индий In, галлий Ga, алюминий Al.

Встраиваясь в решетку, атомы пяти валентных элементов образуют четыре связи с ближайшими соседями, пятый электрон оказывается лишним. Он не участвует в образовании химической связи и слабо связан с атомом примеси, легко отрывается от него и становится свободным. Например, P®P + +e – В узле решетки остается положительно заряженный ион примеси. Он жестко закреплен в решетке и не может перемещаться по кристаллу. В полупроводнике с донорной примесью основными носителями заряда являются электроны. Его называют полупроводником с электронной проводимостью или полупроводником n-типа.

Читайте также:  Фитнес браслет для девушки

При введении трех валентного атома у него не хватает одного электрона для образования четырех связей. Недостающий электрон может быть захвачен у соседнего атома, у которого образуется дырка. Атом примеси превращается в отрицательный ион, например, In®In – +h + (h + –дырка). В полупроводнике с акцепторной примесью основными носителями заряда являются дырки и его называют полупроводником с дырочной проводимостью или полупроводником p-типа.

Нейтральные примеси не изменяют концентрацию носителей заряда.

Электричество в наши дни принято определять как "электрические заряды и связанные с ними электромагнитные поля". Само существование электрических зарядов обнаруживается через их силовое воздействие на другие заряды. Пространство вокруг всякого заряда обладает особыми свойствами: в нем действуют электрические силы, проявляющиеся при внесении в это пространство других зарядов. Такое пространство является силовым электрическим полем.

Пока заряды неподвижны, пространство между ними обладает свойствами электрического (электростатического) поля. Но когда заряды движутся, то вокруг них возникает также магнитное поле. Мы рассматриваем порознь свойства электрического и магнитного полей, но в действительности электрические процессы всегда связаны с существованием электромагнитного поля.

Мельчайшие электрические заряды входят как составные части в атом. Атом есть наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств. Атом является весьма сложной системой. Его масса в большей своей части сосредоточена в ядре. Вокруг последнего по определенным орбитам обращаются электрически заряженные элементарные частицы — электроны.

Силы тяготения удерживают на орбитах планеты, обращающиеся вокруг солнца, а электроны притягиваются к ядру атома электрическими силами. Из опыта известно, что взаимно притягиваются лишь разноименные заряды. Следовательно, заряды ядра атома и электронов должны быть различными по знаку. По историческим причинам принято считать заряд ядра положительным, а заряды электронов — отрицательными.

Многочисленные опыты показали, что электроны атомов любых элементов обладают одинаковым электрическим зарядом и одинаковой массой. Вместе с тем заряд электрона является элементарным, т. е. наименьшим возможным электрическим зарядом.

Принято различать электроны, находящиеся на внутренних орбитах атома и на внешних орбитах. Внутренние электроны относительно прочно удерживаются на своих орбитах внутриатомными силами. Но внешние электроны относительно легко могут отделяться от атома и оставаться некоторое время свободными или присоединяться к другому атому. Химические и электрические свойства атома определяются электронами его внешних орбит.

Величина положительного заряда ядра атома определяет принадлежность атома к определенному химическому элементу. Атом (или молекула) электрически нейтральны, пока сумма отрицательных зарядов электронов равна положительному заряду ядра. Но атом, потерявший один или несколько электронов, оказывается заряженным положительно вследствие избытка положительного заряда ядра. Он может перемещаться под действием электрических сил (притягиваться или отталкиваться). Такой атом является положительным ионом. Атом, захвативший излишние электроны, становится отрицательным ионом.

Носителем положительного заряда в ядре атома является протон. Это элементарная частица, служащая ядром атома водорода. Положительный заряд протона численно равен отрицательному заряду электрона, но масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Ядра атомов, кроме протонов, содержат также нейтроны — частицы, не обладающие электрическим зарядом. Масса нейтрона в 1838 раз больше массы электрона.

Таким образом, из трех элементарных частиц, образующих атомы, электрическими зарядами обладают только электрон и протон. Но из них лишь заряженные отрицательно электроны могут легко перемещаться внутри вещества, а положительные заряды в обычных условиях могут перемещаться лишь в виде тяжелых ионов, т. е. перенося атомы вещества.

Упорядоченное движение электрических зарядов, т. е движение, имеющее преобладающее направление в пространстве, образует электрический ток. Частицами, движение которых создает электрический ток, — носителями тока в большинстве случаев являются электроны и значительно реже — ионы.

Допуская некоторую неточность, можно определять ток как направленное движение электрических зарядов. Носители тока могут более или менее свободно перемещаться в веществе.

Проводниками называются вещества, относительно хорошо проводящие ток. К числу проводников принадлежат все металлы, в особенности хорошими проводниками являются серебро, медь и алюминий.

Проводимость металлов объясняется тем, что в них часть внешних электронов отщепляется от атомов. Положительные опыты, образовавшиеся вследствие потери этих электронов, связаны в кристаллическую решетку — твердый (ионный) скелет, в промежутках которого находятся свободные электроны в форме своего рода электронного газа.

Малейшее внешнее электрическое поле создает в металле ток, т. е. вынуждает свободные электроны перемешаться в направлении действующих на них электрических сил. Для металлов характерно уменьшение проводимости с увеличением температуры.

Полупроводники проводят электрический ток значительно хуже, чем проводники. К числу полупроводников принадлежит очень большое число веществ, и свойства их весьма разнообразны. Характерным для полупроводников является электронная проводимость (т, е. ток в них создается, как и в металлах, направленным перемещением свободных электронов — не ионов) и, в отличие от металлов, увеличение проводимости при повышении температуры. Вообще для полупроводников характерна также сильная зависимость их проводимости от внешних воздействий — облучения, давления и т. п.

Читайте также:  Фитнес браслет xiaomi что это такое

Диэлектрики (изоляторы) практически не проводят ток. Внешнее электрическое поле вызывает поляризацию атомов, молекул или ионов диэлектриков, т. е. смещение под действием внешнего поля упруго связанных зарядок, входящих в состав атома или молекулы диэлектрика. Количество свободных электронов в диэлектриках очень мало.

Нельзя указать жесткие границы между проводниками, полупроводниками и диэлектриками. В электротехнических устройствах проводники служат путем для перемещения электрических зарядов, а диэлектрики нужны, чтобы направить должным образом это движение.

Электрический ток создается вследствие воздействия на заряды сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами. Они создают в проводнике электрическое поле, которое вынуждает положительные заряды перемещаться по направлению действия сил поля, а отрицательные заряды — электроны — в противоположном направлении.

Полезно уточнить представление о поступательном движении электронов в металлах. Свободные электроны находятся в состоянии беспорядочного движения в пространстве между атомами, под обратном тепловому движению молекул. Тепловое состояние тела обусловливается столкновениями молекул друг с другом и столкновениями электронов с молекулами.

Электрон сталкивается с молекулами и меняет направление своего движения, но постепенно все же продвигается вперед, описывая очень сложную кривую. Длительное перемещение заряженных частиц в одном определенном направлении, налагающееся на их беспорядочное движение в разных направлениях, называется их дрейфом. Таким образом, электрический ток в металлах, по современным воззрениям, является дрейфом заряженных частиц.

2.1. Виды электропроводности полупроводников.

Принцип работы полупроводниковых приборов связан с тем, что в полупроводниках существует электропроводность двух видов – электронная и дырочная .

Электронная электропроводность обусловлена перемещением в одном направлении свободных электронов. При обычных рабочих температурах в чистых, беспримесных полупроводниках всегда есть электроны, которые очень слабо связаны с ядрами атомов, становятся свободными и совершают беспорядочное, хаотическое, тепловое движение между атомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием электрического поля могут начать двигаться в определенном направлении. Такое направленное движение и есть электрический ток.

Дырочная электропроводность является особенностью полупроводников и не наблюдается в металлах , т.е. в проводниковых материалах (проводниках).

В атоме полупроводника под влиянием чаще тепловых или других внешних воздействий один из валентных электронов может покинуть атом и стать свободным (рис.3). Тогда атом приобретает положительный заряд, но по величине равный отрицательному заряду электрона. Такой атом называется положительным ионом, а процесс превращения атома в ион – ионизацией.

В полупроводниках кристаллическая решетка прочна. Её ионы не передвигаются , а остаются на своих местах в узлах кристаллической решетки, т.е. являются неподвижными зарядами .

Отсутствие электрона на орбите атома полупроводника условно назвали дыркой. Этим подчеркивают, что в атоме не хватает одного электрона, т. е. образовалось свободное место – дырка. Дырки [3] ведут себя, как элементарные положительные заряды.

Возникновение дырки можно пояснить с помощью плоскостной модели полупроводника (рис.3). Один из электронов, участвующих в ковалентной связи, получив дополнительную энергию W > ?W, становится электроном проводимости, т. е. свободным носителем заряда. Он может перемещаться между атомами кристаллической решетки, а при движении большого количества таких свободных электронов в одном направлении, они создают электрический ток. Его прежнее место теперь свободно. Это и есть дырка, изображенная на рис.3 светлым кружком.

При дырочной электропроводности под влиянием приложенной разности потенциалов перемещаются дырки, что эквивалентно перемещению положительных зарядов. Такой процесс показан на рис.4, где изображено для различных моментов времени несколько атомов, расположенных вдоль полупроводника.

Пусть в начальный момент времени (рис. 4, а) в крайнем атоме слева (номер 1) появилась дырка, вследствие того что из этого атома ушел электрон, т.е. стал свободным.

Атом с дыркой (он заштрихован) имеет положи­тельный заряд и может притянуть к себе электрон из соседнего атома номер 2.

Если в полупроводнике действует электрическое поле (разность потенциалов), то это поле стремится двигать электроны в направлении от отрицательного потенциала к положительному. Поэтому в следующий момент (рис.4,б) из атома 2 один электрон перейдет в атом 1 и заполнит дырку, а новая дырка образуется в атоме 2. Далее один электрон из атома 3 перейдет в атом 2 и заполнит в нем дырку. Тогда дырка возникнет в атоме 3 Рис. 4 (рис.4, в) и т.д.

Такой процесс будет продолжаться, и дырка перейдет из крайнего левого атома 1 в крайний правый под номером 6. Иначе говоря, первоначально возникший в атоме 1 положительный заряд перейдет в атом 6 (рис.4, е).

Как видно, при дырочной электропроводности в действительности тоже перемещаются электроны , но более ограниченно, т.е. пройденное расстояние меньше, чем при электронной электропроводности, когда электрон может двигаться в кристаллической решетке. Рис. 5

При дырочной электропроводности электроны переходят из данных атомов только в соседние. Результатом этого является перемещение положительных зарядов – дырок в направлении, противоположном движению электронов.

Читайте также:  Что быстро впитывает воду

Электропроводность полупроводников может быть также объяснена их энергетической диаграммой (рис.5).

При температуре абсолютный ноль, т.е. Т = 0К = – 273ºС, полупроводник, не содержащий примесей, является диэлектриком, в нем нет электро­нов и дырок проводимости. Но при повышении температуры Т > 0К электропроводность полупроводника возрастает, так как электроны валентной зоны получают при нагреве дополнительную энергию[4] W = kT и за счет этого некоторое их количество преодолевает запрещенную зону и переходит из валентной зоны в зону проводимости. Этот переход показан на рис.6 сплошной стрелкой.

Ширина запрещенной зоны ?W у полупроводников сравнительно невелика (для германия ?W = 0,72 эВ, а для кремния ?W = 1,12 эВ).

Таким образом, появляются электроны проводимости и возникает электронная электропроводность. Каждый электрон, перешедший в зону проводимости, оставляет в валентной зоне свободное место – дырку, т. е. в валентной зоне возникают дырки проводимости, число которых равно числу электронов, перешедших в зону проводимости. Следовательно, вместе с электронной создается и дырочная электропроводность.

2.2. Генерация и рекомбинация носителей заряда

. Электроны и дырки, которые могут перемещаться и поэтому создавать электропроводность, называют подвижными носителями заряда или просто носителями заряда.

Принято говорить, что под действием теплоты происходит генерация пар носителей заряда, т. е. возникают пары: электрон проводимости – дырка проводимости или пара – свободный электрон-дырка. Также генерация пар носителей может происходить под действием: света, ионизирующих излучений, электрического поля, магнитного поля, механических напряжений и других внешних воздействий.

Вследствие того что электроны и дырки проводимости совершают беспорядочное, хаотическое движение за счет тепла, обязательно происходит и процесс, обратный генерации пар носителей: электроны проводимости снова занимают свободные места в валентной зоне, т. е. объединяются с дырками. Такое исчезновение пар носителей называется рекомбинацией носителей заряда. Этому процессу соответствует показанный штриховой стрелкой на рис.5 переход электрона из зоны проводимости в валентную зону.

Процессы генерации и рекомбинации пар носителей всегда происходят одновременно . Рекомбинация ограничивает возрастание числа пар носителей, и при данной температуре устанавливается определенное число электронов и дырок проводимости , т. е. они находятся в состоянии динамического равновесия (число электронов равно числу дырок). Это означает, что генерируются все новые и новые пары носителей, а ранее возникшие пары рекомбинируют, т.е. исчезают, превращая ионы в нейтральные атомы.

2.3. Собственная проводимость полупроводника.

Чистый полупроводник, без примесей, называют собственным полупроводником или полупроводником i – типa. Буква i – от английского слова intrinsic – собственный.

Он обладает собственной электропроводностью, которая, как было показано, складывается из электронной и дырочной электропроводности – в создании тока участвуют и дырки и электроны.

При изучении принципа работы полупроводниковых приборов собственные полупроводники, т.е. чистые без примесей, изображают в виде прямоугольника с указанием типа проводимости – буквы i (рис.6).

i
Атом Si
i

Электрон Дырка Ион Si

Структура собственного (чистого) полупроводника i – типа кремния приведена на рис.7. Она содержит нейтральные атомы, небольшое количество положительных ионов, возникших в процессе генерации пар носителей заряда, а также небольшое количество самих носителей заряда – электронов и дырок.

Если просуммировать все положительные и отрицательные, подвижные и неподвижные заряды, то алгебраическая сумма зарядов будет равна нулю. Вывод – в целом полупроводник заряда не имеет, хотя внутри полупроводника находятся разные по знаку заряды.

Удельная электрическая проводимость полупроводников зависит от концентрации носителей заряда, т. е. от их числа в единице объема, например в 1см 3 .

Будем обозначать концентрацию электронов и дырок соответственно буквами n и р – от слов negative (отрицательный) и positive (положительный).

Для чистого, т.е. собственного, полупроводника всегда n i = p i . Индекс i здесь указывает, что эти концентрации относятся к собственному полупроводникуi типa.

В собственном полупроводнике при комнатной температуре число подвижных носителей заряда по отношению к общему числу атомов составляет около 10 – 7 % для германия и около 10 – 10 % для кремния. Поэтому удельная электрическая проводимость полупроводников очень мала, а удельное сопротивление по сравнению с проводниками велико.

Например, при комнатной температуре удельное сопротивление меди равно ρ = = 0,017·10 – 4 Ом ·см, а у германия ρ = 50 Ом·см и у кремния ρ = 100 000 Ом ·см.

Чистые или что тоже самое собственные полупроводники, т.е. i типa, из-за очень плохой проводимости электрического тока для изготовления полупроводниковых приборов применяются крайне редко.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше. 9138 – | 7301 – или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock detector