Электрический ток в полупроводниках

Содержание:

13 сентября 2023
9 минут
1393

Преподаватель физики

Значение удельного электрического сопротивления полупроводников говорит о промежуточном положении между проводниками и диэлектриками. Диэлектриками считают германий, кремний, селен, мышьяк и так далее, а также некоторое количество химических соединений. Большая часть неорганических веществ относится к полупроводникам. Самым распространенным из них считают кремний.

Зависимость сопротивления от температуры

Полупроводники отличаются от металлов тем, что при понижении температуры у вторых падает удельное сопротивление, как показано на рисунке $1.12.4 .$ Полупроводники ведут себя иначе. У них сопротивление заметно возрастает, что приводит к становлению изоляторами.

Зависимость сопротивления от температуры

Рисунок $1.12.4 .$ Зависимость удельного сопротивления $ρ$ от абсолютной температуры $T$ при низких температурах: $a$ – нормальный металл; $b$ – сверхпроводник.

Зависимость сопротивления от температуры

Рисунок $1.13.1 .$ Зависимость удельного сопротивления $ρ$ чистого полупроводника от абсолютной температуры $T$ .

Выше приведенная зависимость $ρ (T)$ говорит о наличии концентрации носителей свободного заряда у проводников, увеличивающегося с ростом температуры. Механизм электрического тока нельзя объяснить с помощью только модели газа свободных электронов.

Пример 1

Рассмотрим на примере германия $(Ge)$ . Действие механизма в кристалле кремния $(Si)$ такой же. Внешние оболочки атомов германия имеют $4$ слабо выраженных электрона. Они получили название валентных. Каждый атом кристаллической решетки окружен $4$ соседями. Атомы соединены посредствам ковалентной связи, то есть парами валентных электронов. Валентный электрон соответствует двум атомам, как изображено на рисунке $1.13.2 .$

Связь валентных электронов в атоме германия больше, чем в обычных металлах. Отсюда и наличие сниженной концентрации электронов проводимости при комнатной температуре. Образование связей электронов германия происходит при температуре, приближенной к абсолютному нулю. Данный кристалл не обладает проводимостью.

Зависимость сопротивления от температуры

Рисунок $1.13.2 .$ Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары.

Какие вещества относят к полупроводникам

Если температура повышается, тогда некоторые валентные электроны получают энергию, которой хватит для разрыва ковалентной связи. После чего в кристалле появляются свободные электроны (электроны проводимости).

Определение 1

Места разрыва связей характеризуются образованием вакансий, на которых электроны отсутствуют. Данные вакансии называют дырками.

Вакантное место может быть передано валентному электрону соседней пары, тогда дырка будет циклично перемещаться по всему кристаллу. Заданная температура полупроводника за $1$ времени образует определенное количество электронно-дырочных пар.

Определение 2

Также имеется обратный процесс, который заключается в восстановлении электронной связи между атомами германия при встрече со свободным дырочным электроном. Его называют рекомбинацией.

Появление электронно-дырочных пар обусловлено освещением полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. При его отсутствии электроны и дырки принимают участие в хаотическом тепловом движении.

Перемещение полупроводника в электрическое поле подвергает электроны, дырки упорядоченному движению, причем ведут себя как положительно заряженные частицы. Отсюда вывод: ток $I$ в полупроводнике записывается как сумма электронного $I_{n}$ и дырочного $I_{p}$ :

$I = I_{n} + I_{p}$ .

Концентрация электронов проводимости полупроводников равняется концентрации дырок $n_{n} = n_{p}$ .

Полупроводник $n$ -типа

Определение 3

Проявление электронно-дырочной проводимости присущ чистым полупроводникам. Их называют собственной электрической проводимостью полупроводников.

Если имеются примеси, тогда происходит ее изменение.

Пример 2

При добавлении в кристалл кремния примесь в виде фосфора количеством $0, 001 %$ уменьшается удельное сопротивление более, чем на $5$ порядков. Такое влияние примесей объясняется выше изложенным представлением о строении полупроводников.

Определение 4

Необходимое условие резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей – отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.

Если проводники имеют примеси, то такая проводимость называется примесной. Различают два вида: электронная и дырочная. Первая появляется при введении в четырехвалентные атомы германия пятивалентных атомов мышьяка.

Полупроводник n-типа

Рисунок $1.13.3 .$ Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник $n$ -типа.

На рисунке $1.13.3$ подробно показан пятивалентный атом мышьяка, который находится в узле кристаллической решетки германия. Валентные электроны в количестве $4$ штук включены в образование ковалентных связей с $4$ соседними атомами германия. Пятый из них получается лишним, так как не имеет пары. Он отрывается от атома мышьяка и становится свободным.

Атом, который теряет электрон, становится положительным ионом, располагаемым в узле кристаллической решетки.

Полупроводник $p$ -типа

Определение 5

Если у примеси имеется валентность, превышающая валентность основных атомов полупроводникового кристалла, тогда ее называют донорной.

Когда примесь вводится в кристалл, то это провоцирует появление большого количества свободных электронов. Тогда происходит резкое уменьшение удельного сопротивления полупроводника в разы. После чего оно стремится по значению к удельному сопротивлению металлического проводника.

Кристалл германия с примесью мышьяка имеет электроны и дырки, которые отвечают за собственную проводимость кристалла. Основным типом носителей свободного заряда считаются электроны, которые оторвались от атомов мышьяка. Тогда такой кристалл имеет $n_{n} ≫ n_{p}$ . Данная проводимость получила название электронной, а такой полупроводник, обладающий электронной проводимостью – полупроводник $n$ -типа.

Полупроводник p-типа

Рисунок $1.13.4 .$ Атом индия в решетке германия. Полупроводник $p$ -типа.

Влияние примесей

Возникновение дырочной проводимости связано с введением трехвалентных атомов индия в кристалл германия. На рисунке $1.13.4$ изображен атом индия, который создает ковалентные связи валентными электронами с помощью трех соседних атомов германия. Чтобы образовать связь с четвертым атомом германия у индия отсутствует электрон. Именно он захватывается атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. Тогда получаем, что атом индия становится отрицательным ионом, располагаемым в узле кристаллической решетки. Отсюда ковалентная связь соседних атомов образует вакансию.

Определение 6

Примесь атомов, захватывающих электроны, называют акцепторной.

С ее наличием в кристалле происходит разрыв множества ковалентных связей, а на их местах образуются вакантные места, то есть дырки. Электроны движутся к ней из соседних ковалентных связей, что обуславливает хаотичное блуждание дырок по кристаллу.

Определение 7

Акцепторная примесь способна заметно снижать удельное сопротивление за счет появления дырок. Их концентрация в такой примеси значительно больше количества электронов, появившихся по причине собственной электропроводности полупроводника $n_{p} ≫ n_{n}$ . Она получила название дырочной. Проводник с примесью и наличием дырочной проводимости – это полупроводник $p$ -типа.

Основными носителями свободного заряда в таких полупроводниках являются дырки. Дырочная проводимость обуславливается эстафетным перемещением по вакансиям, начиная от атома германия к другому электрону, осуществляющему ковалентную связь.

Полупроводники $n -$ и $p -$ типов подвергаются действию закона Ома на интервалах силы тока и напряжений с условием концентрации свободных носителей.

Курсовая работа по физике

от 5 дней/ от 2160 р.

Реферат по физике

от 1 дня/ от 840 р.

Решение задач по физике

от 1 дня/ от 150 р.