Типы проводимости полупроводниковых материалов

Типы проводимости полупроводниковых материалов и свойства электронно-дырочного перехода рассматривались в курсе молекулярной физики, раздел «Электричество». Поэтому сейчас выделим лишь основные положения этих вопросов.

В чистом полупроводнике, при температуре выше абсолютного нуля по шкале Кельвина генерируется два вида подвижных носителей зарядов – электрон и дырка. При наличии таких носителей полупроводник приобретает способность проводить электрический ток. Электропроводность, обусловленная только генерацией пар электрон-дырка, называется собственной. Количественно она может быть определена выражением

,

где:

g = 1,6 × 10-19 K – заряд электрона;

n и p – концентрация подвижных электронов и дырок, причем n=p;

mn и mp – подвижность носителей.

Концентрация подвижных носителей заряда зависит от температуры, поэтому

,

где:

А – константа;

Т - температура по Кельвину;

W – ширина запретной зоны;

К = 1,38 × 10-23 – постоянная Больцмана.

Проводимость полупроводников существенно изменяется при добавлении примеси. Так, если валентность примеси больше валентности полупроводника (например атомы фосфора), то концентрация электронов существенно (на 10 – 20 порядков) увеличивается. Поэтому количественно проводимость может быть вычислена выражением

где nn – концентрация примесных носителей.

Такая примесь называется донорной, проводимость – электронной, а полупроводник – полупроводником n – типа.

При добавлении примеси, валентность которой меньше валентности полупроводника (например, атомы бора), в теле полупроводника резко увеличивается концентрация дырок. Поэтому

,

где:

РР - концентрация примесных носителей.

Такая примесь называется акцепторной, проводимость - дырочной, а полупроводник - полупроводником p - типа.

Металлургическая граница между полупроводниками двух типов называется электронно-дырочным или p-п переходом. Это основной рабочий элемент полупроводниковых электронных приборов. Выделим следующие его свойства.

Таким образом, в полупроводниковых приборах, имеющих кристаллическую структуру атомы прочно связаны друг с другом и образуют жёсткую систему. При температуре, равной абсолютному нулю свободных электронов мало, при увеличении температуры увеличивается количество свободных электронов.

При отсутствии внешнего электрического поля, движение свободных электронов хаотично.

Если приложить внешнее электрическое поле, то увеличится количество свободных электронов.

Электрические заряды переносятся не только свободными электронами, но и путём перехода нейтрального атома к соседнему с ним атому. При наличии внешнего электрического поля направленный характер устойчив.

Проводимость п.п., обусловленная движением свободных электронов - электронная или n-проводимость.

Проводимость п.п., обусловленная перемещением электронов от атома к соседнему атому - дырочная проводимость или p-проводимость. Эта терминология обусловлена тем, что в атоме вещества, как отдают свой электрон соседнему атому, и тем самым приобрёл положительный заряд, образовалось для отрицательного заряда «свободное» место, или «дырка».

Если к германию (четырёх валентный), в качестве примеси добавить пятивалентный элемент ( мышьяк ), то получите свободный электрон, т. е. проводимость этого проводника - электронный характер.

Если примесью германию служит 3-х валентный элемент (индит), то свободная «дырка», и проводимость дырочная.