Полупроводники, р-n переход

Файл : referat p-n.doc (размер : 301,056 байт)

PAGE PAGE 8

Полупроводники

Полупроводники обязаны своим названием тому обстоятельству, что по величине электропроводности они занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами. Однако характерным для них является не величина проводимости, а то, что их прово​димость растет с повышением температуры (напомним, что у металлов она уменьшается). Полупроводниками являются вещества, у которых валентная зона полно​стью заполнена электронами, а шири​на запрещенной зоны невелика (у собственных полу​проводников не более 1 эв).

Различают собственную и примесную проводимости полупроводников.

Рис.1

Собственная проводимость. Собственная проводимость возникает в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости. При этом в зоне проводимости появляется некоторое число носителей тока — электронов, занимающих уров​ни вблизи дна зоны; одновременно в валентной зоне освобождается такое же число мест на верхних уров​нях. Такие свободные от электронов места на уровнях заполненной при абсолютном нуле валентной зоны называют дырками.

Распределение электронов по уровням валентной зоны и зоны проводимости определяется функцией Ферми. Вычисления показывают, что уровень Ферми лежит точно посредине запре​щенной зоны(рис.1). Следовательно, для электронов, перешедших в зону проводимости, величина W—WF мало отличается от половины ширины запрещенной зоны. Уровни зоны проводимости лежат на хвосте кри​вой распределения. Поэтому вероятность их заполнения электронами можно находить по формуле

(1.1)

Количество электронов, перешедших в зону прово​димости, будет пропорционально вероятности (1.1). Эти электроны, а также, как мы увидим ниже, образо​вавшиеся в таком же числе дырки, являются носителями тока.​

(Рис.2)

Поскольку ,проводи​мость пропорциональна числу но​сителей, она также должна быть пропорциональна выражению (1.1). Следовательно, электро​проводность полупроводников бы​стро растет с температурой, изме​няясь по закону

(1.2)

где ΔW—ширина запрещенной зоны.

Если на графике откладывать зависимость 1n σ от 1/T, то для полупроводников получается прямая линия, изображенная на рис. 2. По наклону этой прямой можно определить ширину запрещенной зоны ΔW.

Типичными полупроводниками являются элементы IV группы периодической системы Менделеева — гер​маний и кремний. Они образуют решетку, в которой каждый атом связан ковалентными (парно-электрон​ными) связями с четырьмя равноотстоя​щими от него соседними атомами. Условно такое взаим​ное расположение атомов можно представить в виде плоской структуры, изображенной на рис. 3. Кружки со знаком «+» обозначают положительно заря​женные атомные остатки (т. е. ту часть атома, ко​торая остается после удаления валентных электронов), кружки со знаком «—»— валентные электроны, двойные линии—ковалентные связи.

При достаточно высокой температуре тепловое дви​жение может разорвать отдельные пары, освободив один электрон (такой случай показан на рис. 3).

. Покинутое электроном место перестает быть нейтраль​ным, в его окрестности возникает избыточный положи​тельный заряд + е — образуется дырка. На это место может перескочить элек​трон одной из соседних пар. В результате дырка начинает также странство​вать по кристаллу, как и освободившийся электрон.

(Рис.3)

Если свободный элек​трон встретится с дыр​кой, они рекомбинируют (соединяются). Это означает, что элек​трон нейтрализует избы​точный положительный заряд, имеющийся в ок​рестности дырки, и теря​ет свободу передвиже​ния до тех пор, пока сно​ва не получит от кристал​

лической решетки энергию, достаточную для своего вы​свобождения. Рекомбинация приводит к одновременному исчезновению свободного электрона я дырки. На схеме уровней (рис. 1) процессу рекомбинации соответствует переход электрона из зоны проводимости на один из сво​бодных уровней валентной зоны.

Итак, в полупроводнике идут одновременно два процесса: рождение попарно свободных электронов и дырок и рекомбинация, приводящая к попарному ис​чезновению электронов и дырок. Вероятность первого процесса быстро растет с температурой. Вероятность рекомбинации пропорциональна как числу свободных электронов, так и числу дырок. Следовательно, каж​дой температуре соответствует определенная -равновес​ная концентрация электронов и дырок, величина кото​рой изменяется с температурой по такому же закону, как и σ [см. формулу (1.2)].