Полупроводници - studopediya

1. полупроводници - кристално вещество, чиято валентност лента е изцяло запълнена с електрони, и разликата лента в сравнение с диелектрик зони не са големи и е приблизително Eg »1 ЕГ. Големината на електрическата проводимост на T> 0 К полупроводници са междинни между метали и изолатори.

2. Sobstvennyepoluprovodniki - химически чисти полупроводници. Те включват някои химически чисти елементи (силициев Si, Ge германий, селен Se, телур ТЕ) и много химични съединения (галиев арсенид GaAs, индий арсенид InAs, INSB Antimonide, индий, Karbid Kremniya SiC и т.н.).

При Т = 0 К вътрешен полупроводников валентност лента е напълно персонал (Fig.109 ляво), групата на проводимост се намира над групата валентност в региона Напр. Тя е празен. Следователно, при Т = 0 К вътрешен полупроводников като изолатора има нулева проводимост.

При загряване настъпва термично възбуждане на валентността-групата електрони. Някои от тях придобива достатъчно енергия, за да се преодолее пропастта лента и прехода към проводимата зона (Fig.109 вдясно). В резултат на това на проводимост на свободни електрони се появи. и в валентност групата - безплатните нива - дупката. при което електрони могат да преминат тази област. Ако такъв кристал за прилагане на електрическо напрежение възниква в него електрически ток, който се състои от електронен ток в групата на проводимост и ток дупка в валентната зона.

дупка механизъм проводимост се състои в това, че наличието на отвори (места) на всеки от близко разположени съединителни електрони може да се движи към отвора за местоположение. Тази дупка изчезва, но се появява на друго място. Ако има в кристала съществува електрично поле от външен източник, такива дупки-позиции с положителни заряди се движат по посока на полето. По този начин, има процес проводимост две различни полупроводници. Електронно. извършена от движението на електроните в проводимата зона и дупката. поради движение на електроните в валентната зона.

теория дупка в твърдо състояние тълкува като квази-частици с положителен заряд + Е и засечения ефективна маса, и отвор проводимост - насочен дрейф на частиците - дупки. В топлинно равновесие, електроните са склонни да заемат най-ниските нива на енергия, така че дупките са на тавана на валентната зона, където скоростта им е нула. Дупката има положителен ефективна маса е числено равна на отрицателна ефективна маса на електрона в валентната зона. Отделно от електронни преходи от обвързаната (валентност) състояние да съществува в свободно обратната преходи, при която проводни електрони са в капан в един от свободните места на електронни облигации. Този процес се нарича рекомбинация на електрони и дупки. В е установено състояние на равновесие, тази концентрация на електрони и дупки, при което броят на директен и обратен преход същото. Нивото на Ферми в чист полупроводник е приблизително в средата на забранената зона.

3. онечиствания полупроводници. Ръководства за всяка чистота винаги съдържат примеси атоми, които създават свои собствени така наречените нива на примеси. Тези слоеве могат да бъдат разположени както в резолюция и в забранени зони на различни разстояния от валентната зона и долната част на лентата проводимост. примеси често се въведе специално, за да се направят необходимите полупроводникови свойства. Има два вида на примес проводимост: донор и акцептор. Нека ги разгледаме.

4. онечистване донора. Нека Ge тетравалентни германий кристални атома въведени петвалентен арсен като. В резултат на това част от германий атоми са заместени с арсен атома. Във всяка от чист германий кристал Ge атом е заобиколен от четирите най-близки съседи, с всяка съседна Ge атом колективизирано съгласно една от четирите валентните електрони. Ако вместо германий Ge атом е петвалентен арсен атом Както той също социализира с четири съседи четири валентни електрони.

Пето електрон валентен слой на арсен нямат място в този плик и той е принуден да се премести в по-отдалечен ниво (Fig.110). В този случай между него и арсен атомите са лесно поляризирани електрони облаци от валентни връзки. При условие че тези облаци диелектрична константа на германий е = 16. Следователно, арсен йон електрон привличането на атенюиран д пъти, и разстоянието от Като атом е допълнително увеличена.

В големи разстояния арсен поле йон по същество съвпада с полето на точка заряд + напр. Шрьодингер уравнение за електрон независим арсен изглежда по същия начин, както за електрон в водороден атом, с тази разлика, че вместо на действителното тегло на електрон ефективна маса включва в групата на проводимост. За енергия на електрона с йони Като + следния израз :. (15.1)

ефективно електрон маса в Германия трет трет = 0,22te. Когато е = 16, ние получаваме E = 0.01 ЕГ. Ако такъв доклад електронна енергия, действието му се отлепи от атом Както и да придобие способността да се движат свободно в решетката на германий Ge, превръщайки се в проводимост на електрони. В тази лента език модел може да се тълкува, така че арсен нива на примеси се намира в близост до дъното на лентата проводимост, отделена от нея на разстояние Е = 0.01 ЕГ. При отчитане на такива примеси електрони се прехвърлят на проводимата зона (Fig.111). Създадена през тази локализиран положителен заряд на стационарни арсен атоми и проводимост не участват.

Примеси, които са източник на електрони проводникова се наричат ​​донор. и техните нива донори енергия urovni-. Полупроводници, съдържащи донор примес, наречен електронни или п-тип полупроводници.

5. акцептор примес. Да предположим, че в тетравалентни Ge кристал германий атома въведена тривалентен индий В (ris.112). За да се образува връзка с четирите най-близките съседи в индий атом липсва един електрон. В резултат на това системата за валентността слепя освободеното място, което може да бъде заета от един електрон от най-близкия всяка валентна връзка. Когато електрон тръгване от връзката е налице положителна дупка. Индий атом като се свързва с допълнителната електрона се превръща отрицателно зареден йон, отвор е оформен в областта на йон и привлича към него. При Т = 0 К, дупка се задържа в непосредствена близост на примес атом.

Свързващата енергия на отворите с примес атом е малък и Е "0.01 ЕГ. Когато кристалите се нагрява, дупката получава тази енергия оставя индий атоми и се освобождава. В енергия диаграма (ris.113) незапълнени нивата на индий атоми са разположени директно на валентната зона в региона Е "0,01 ЕГ.

В германий лента празнина Eg = 0.66 ЕГ зона така, че разстоянието между валентната зона и нива на примеси от по-малко от 66 пъти ширината на процепа в кристала.

Електроните, свързани с атомите на индий, губят способността си да се движат в решетка на германий и не участват в провеждането. таксата превозвачи са просто дупките, които са възникнали в валентната зона.

Примесите вълнуващи електрони от валентната зона се нарича акцептор. и техните нива на енергия urovni- акцепторни. Полупроводници, съдържащи такива примеси се наричат ​​дупки полупроводници или полупроводници р - тип.

Онечиствания атоми от други групи от периодичните нивата на таблична форма, разположени от групата на проводимост и от валентната зона. Ето защо, те нямат забележим ефект върху проводимостта на полупроводници, но оказват силно влияние за възникването и рекомбинация на електрони и дупки.

6. основни и неосновни носители на заряд в полупроводници. Или винаги има реален полупроводникови проводни електрони и дупки. чист полупроводникови техните концентрации са същите. В полупроводници, п-тип проводимост е доминиран от електрони, докато р-тип полупроводници в отвора преобладават. превозвачи Преобладаващите такса се наричат ​​мажоритарни превозвачи, както е представена в малцинство - малцинство.

7. зависимостта на електропроводимостта на полупроводници на температура. Термистори. При температура на абсолютната нула електропроводимост като идеално чист (вътрешна проводимост) и полупроводника примеси трябва да бъде равна на нула. полупроводници Bandgap е в чиста Eg = 0.5¸1 ЕГ и енергия разстоянието до нивата на донор и акцептор на примеси в полупроводници до десет пъти по-ниски в E = 0.01 ЕГ. Следователно, чрез нагряване на полупроводника се излиза от Т = 0 К преди възбудени нива на примеси. Електропроводимостта на легирани полупроводници нараства по-бързо от мрежата.

На ris.114 сравнява проводимостта на чист полупроводник (крива 1) с проводимост тип примес полупроводникови п (крива 2) при различни температури. В първия примес проводимост значително предимство пред себе си и увеличава почти линейно с температура. При определена температура Т1 настъпва пълно йонизация на донори, и растежа на примес проводимост престава. При определена температура Т2> Т1 започва интензивно йонизация действителната полупроводници. Независимо от тип полупроводникови проводимост се увеличава бързо и при Т> Т1 може да бъде представено с формула :. (15.2)

Ако логаритми с формула (15.2) и графично зависимостта на LN г 1çТ. се оказва по права линия до собствените полупроводници. Наклонът на тази линия може да се определи ширината на забранената зона Напр.

Растежът на електропроводимостта на полупроводници с повишаване на температурата е много важно. Например, когато германий се нагрява от 100 К до 600 грама на неговата проводимост се увеличава с 17 порядъци. Такава силна зависимост на грам (Т) може да се използва за измерване на температурата на полупроводници. За производството на температурно чувствителни резистори (термистори), използван обикновено чисти метални оксиди или техни смеси от ZnO, MgO, Fe3 O4. Манганов, MgAl2 O4. ZnTiO4.

Коефициентът на температура на съпротивление R е отрицателна, и термистори (ris.115). Thermistors са широко използвани в схеми на автоматични мостове и потенциометри, свързани с регулаторни механизми.

8. абсорбиране на светлина от полупроводници. Фоторезист. Както при всяко друго вещество, полупроводници, които могат да абсорбират светлина, падаща върху него. Разграничаване между вътрешен и външен абсорбция. Когато правилното усвояване на енергия светлина, което влиза полупроводника, електроните, консумирани за възбуждане и преминаването им от валентната зона на проводимата зона. В съответствие със закона за запазване на енергията, това поглъщане може да се случи само в случай, че енергията на светлината кванти HN е не по-малко от Напр зона лента празнина. HN ³ Напр. От тук можете да намерите максималната дължина на вълната Lmax присъща усвояване. , (15.3)

Ето - скоростта на светлината. За силиций, например, Eg = 1.1 ЕГ, т.

На легирани п-тип полупроводници електроните от нива донори могат да се движат в обхват проводимост и примес полупроводникови р - тип от валентната зона на нивата на акцепторни. Това усвояване на примеси. тази абсорбция ръб е изместен към по-дълги дължини на вълната, толкова по-ниска енергия на съответния преход. Въпреки това, ако примеси атоми са йонизирани вече, усвояването на примес ще бъдат унищожени. За абсорбция дълга дължина на вълната на полупроводника примеси трябва да има температура Т е по-ниска от изчерпването на температура Т1 примес (ris.114). Например германий Ge легиран със злато Au (примес йонизационна енергия E = 0.08 ЕГ) m с абсорбция дълговълнов се наблюдава само когато температурата на течен азот под обратен хладник Т = 77 К и германий легиран с антимон Sb (Е = 0.01 ЕГ) усвояване с микрона, се наблюдава само при течни температури хелий T £ 4 К.

Когато вътрешна и външна абсорбция на светлина като излишните свободни носители. Тяхното присъствие води до повишаване на електропроводимостта на полупроводника. Процесът на освобождаване на електрони от валентност облигации, наречени вътрешен фотоефект. Точкова проводимост полупроводникови придобити чрез облъчване със светлина се нарича photoconductivity. En проводимост поради топлинно движение на превозвачи безплатно зареждане, наречена тъмна. Устройствата, които позволяват да се записват светлинно излъчване, с помощта на феномена на photoconductivity, наречени фоторезистори.

Фоторезистор обикновено е полупроводник филм с две омичните контакти, залепени върху изолатор (Fig.116). Елементът за наблюдение трябва да бъде достатъчно дебел, така че да абсорбира цялата светлина поток, където R - отражение * 0 - инцидент поток. В този случай, числото п двойки носители в присъщата абсорбцията, светлината, генерирана за единица време е. (15.4)

Къде ч - вътрешния квантовата ефективност на фотоелектричния ефект, равен на броя на двойки от превозвачите се раждат средно всеки абсорбира фотон. То може да бъде повече от 1, ако абсорбцията на единична фотонна енергия на високи родени две или повече електрон-дупка двойки, и по-малък от един, ако част от фотоните абсорбира от свободните носители.

Обикновено Фоторезистор произведени от смеси CdTe, CdSe, Si, Ge, Cu2 О, INSB и др. Те имат селективна чувствителност към светлина на определени дължини на вълните. Характерното за тях - малката ширина на забранена лента. Например, Ай Ен Ес Би е 0.18 ЕГ. Времевата константа photoconductors определяне на тяхната инерция, се намира в диапазона от 10 до 10 -3 -8секунди. Връзка Rmax / Rmin фотопроводящи 10 юни може да достигне.