Главная - Литература

0 1 2 3 4 [5] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93

Таким образом, полупроводники и изоляторы отличаются от металлов наличием запрещенных зон. Между полупроводниками и изоляторами качественных различий нет и граница между ними является условной.

Зависимость электропроводности полупроводника от числа электронов, преодолевших энергетический барьер и перешедших на уровни проводимости, позволяет сделать вывод о том, что при нагревании вещества число электронов проводимости увеличивается. Математически это явление описывается экспоненциальной зависимостью

п. = п. вале (12)

где Пе над - количество электронов, участвующих в создании валентных связей, 1/см. Удельная электрическая проводимость полупроводника также находится в экспоненциальной зависимости от температуры и ширины запрещенной зоны (АЕ):

ааое Цом-см, (13)

где Оо - удельная электрическая проводимость полупроводника при комнатной температуре, 1/ом-см.

Таким образом, абсолютная температура и наличие запрещенной зоны обусловливают изменение величины удельной электрической проводимости полупроводника.

Значительное увеличение этого параметра может наступить при наличии в полупроводнике даже небольшого количества примеси. У металлов, наоборот, примесь приводит к уменьшению электропроводности.

Поскольку величина удельной электрической проводимости определяется величиной заряда электрона, концентрацией носителей заряда и их подвижностью, можно утверждать, что причиной изменения электропроводности в таком случае является изменение концентрации электронов проводимости. Так как влияние примеси на величину электрической проводимости имеет место при прочих равных условиях, то факт ее увеличения при введении примеси может бьп-ь объяснен лишь уменьшением ширины реальной запрещенной зоны за счет образования в ней дополнительных энергетических уровней электронов (рис. 2).

Если энергетические уровни электронов примеси при этом располагаются так, что величина энергетического барьера электронов AEi <С Е и атомы примеси становятся дополнительным источником электронов проводимости, то такие примеси называются донорными (рис. 2, б).

Однако существует и другой вид примеси - акцепторной, создающей акцепторные уровни, которые примыкают к спектру (зоне) основных энергетических уровней электронов. Поскольку



для перехода с основных уровней на акцепторные электрону нужно преодолеть энергетический барьер АЕ < АЕ, вероятность этого процесса может стать достаточной и акцепторные уровни при нагревании окажутся заполненными электронами.

Однако переход электронов на акцепторные уровни освобождает часть энергетических уровней основного спектра. Поэтому при создании в полупроводнике электрического поля на освободившиеся более высокие энергетические уровни основного спектра будут попадать электроны с более низких уровней того же спектра. Следовательно, у той части электронов, которая остается в пределах уровней основного спектра, в этом случае появляется воз-а) Б) Ь)

Рис. 2. Диаграмма энергетических спектров электронов в полупроводниках: а - чистом; б - с донорной примесью; в - с акцепторной примесью

можность перемещения. Под действием электрического поля электроны приобретают направленное движение. Однако это явление эквивалентно тому, что при движении электронов, находящихся на уровнях основного спектра, свободные места с энергией этого уровня перемещаются в направлении, противоположном движению электронов. Электропроводность при этом может быть объяснена либо как направленное движение электронов, либо как условное перемещение в противоположном направлении свободных энергетических уровней, или вакансий. Из приведенной схемы следует, что процесс перемещения отрицательно заряженных электронов в этом случае условно можно заменить процессом противоположного им перемещения некоторых фиктивных положительных зарядов, которые получили название дырок. Введение понятия дырок позволяет значительно упростить теоретический анализ явлений, имеющих место при рассмотренном типе электрической проводимости полупроводников, которая называется дырочной проводимостью.

В связи с качественным различием проводимости полупроводников (электронная или дырочная проводимость) в термоэлектричестве рассматриваются электронные (п-тип) и дырочные (р-тип) *

* От латинских слов negativus - отрицательный и positivus - положитель-

ный. 2*



полупроводниковые материалы. Кроме того, существуют и такие материалы, в которых примеси создают одновременно и донорные, и акцепторные уровни. В этом случае электропроводность обусловливается как электронной, так и дырочной проводимостью, т. е. имеет место смешанный тип проводимости. Следует указать, что в совершенно чистых, так называемых собственных полупроводниковых материалах, существует именно этот тип проводимости.

Рассмотрим процессы, происходящие в таком полупроводнике при Т > 273° К. Увеличение внутренней энергии тела приводит к тому, что часть электронов полупроводника приобретает необходимую энергию для преодоления энергетического барьера и переходит с уровней валентной зоны на уровни зоны проводимости. Этот процесс сопровождается образованием свободных уровней в основном спектре, т. е. дырок, в количестве, равном количеству" электронов проводимости. При создании электрического поля в теле возникает движение электронов и дырок, а общий ток представляет собой сумму электронного и дырочного токов. При этом, поскольку концентрации электронов и дырок считаются равными, а их заряды имеют при разных знаках одинаковую величину, казалось бы, что электронный ток должен быть равен дырочному. На самом же деле, поскольку в большинстве случаев подвижность электронов выше, чем дырок, у полупроводника со смешанной проводимостью, как правило, электронный ток преобладает над дырочным.

Необходимо отметить, что смешанный тип проводимости характерен как для полупроводников с акцепторными или донорными примесями, так и для чистых полупроводников. Поэтому деление полупроводников на электронные и дырочные следует понимать лишь как признак, свидетельствующий о преобладающем типе проводимости.

Проводимость чистого полупроводника принято рассматривать как собственную проводимость, в то время как проводимость, обусловленную примесью, классифицируют как проводимость примесную.

В заключение следует отметить характерные особенности влияния температуры на проводимость полупроводника. При относительно низких температурах в полупроводнике преобладает проводимость, обусловленная примесью. В этих условиях в электронном полупроводнике переход электронов на уровни проводимости происходит как с основных, так и с донорных уровней. В начале этого процесса основным источником электронов проводимости являются донорные уровни, но по мере их истощения начинает преобладать процесс ухода электронов с уровней основного спектра, и появляется собственная проводимость. Такие явления характерны для большинства полупроводников. Однако существуют полупроводники, собственная проводимость которых даже при оказывается очень незначительной, 20



0 1 2 3 4 [5] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93



0.0056