16.05.2023
Уроки 15, 16
Тема. Електропровідність напівпровідників. Власна й домішкова провідності напівпровідників
Завдання:
- Опрацювати теоретичний матеріал, знизу за посиланням
- Записати конспект в зошит з відео
За значенням питомого електричного опору напівпровідники займають проміжне місце між провідниками і діелектриками. До напівпровідників належать багато хімічних елементів (германій, кремній, селен, телур, миш'як і ін.), величезна кількість сплавів і хімічних сполук. Майже всі неорганічні речовини – напівпровідники. Найпоширенішим в природі напівпровідником є кремній, що становить близько 30 % земної кори. Принципова відмінність напівпровідників від металів виявляється перш за все в залежності питомого опору від температури. З пониженням температури опір металів падає (див. мал. 4.12.4). В напівпровідників, навпаки, з пониженням температури опір зростає і поблизу абсолютного нуля вони практично стають діелектриками.
Таку залежність ρ(T) показує, що в напівпровідників концентрація вільних носіїв заряду не залишається постійною, а збільшується із зростанням температури. Розглянемо якісно механізм провідності напівпровідників на прикладі германію (Ge). У кристалі кремнію (Si) механізм аналогічний.
Атоми германію мають чотири слабо зв'язаних електрона на зовнішній орбіті. Їх називають валентними електронами. У кристалічній решітці кожен атом оточений чотирма найближчими сусідами. Зв'язок між атомами в кристалі германію є ковалентним, тобто здійснюється парами валентних електронів. Кожен валентний електрон належить двом атомам . Валентні електрони в кристалі германію набагато міцніше пов'язані з атомами, ніж у металах; тому концентрація електронів провідності при кімнатній температурі в напівпровідниках на багато порядків менше, ніж у металів. Поблизу абсолютного нуля температури в кристалі германію всі електрони зайняті в утворенні зв'язків. Такий кристал електричного струму не проводить.
При підвищенні температури деяка частина валентних електронів може отримати енергію, достатню для розриву ковалентних зв'язків. Тоді в кристалі виникнуть вільні електрони (електрони провідності). Одночасно в місцях розриву зв'язків утворюються вакансії, які не зайняті електронами. Ці вакансії отримали назву «дірок». Вакантне місце може бути зайняте валентним електроном з сусідньої пари, тоді дірка переміститися на нове місце в кристалі. При заданій температурі напівпровідника в одиницю часу утворюється певна кількість електронно-діркових пар. В той же час йде зворотний процес – при зустрічі вільного електрона з діркою, відновлюється електронний зв'язок між атомами германію. Цей процес називається рекомбінацією. Електронно-діркові пари можуть народжуватися також при освітленні напівпровідника за рахунок енергії електромагнітного випромінювання. При відсутності електричного поля електрони провідності і дірки беруть участь в хаотичному тепловому русі.
Якщо в напівпровіднику створити електричне поле, то до впорядкованого руху залучаються не лише вільні електрони, але і дірки, які поводять себе як позитивно заряджені частинки. Тому струм I у напівпровіднику складається з електронного In і діркового Ip струмів:
|
Концентрація електронів провідності в напівпровіднику дорівнює концентрації дірок: nn = np. Електронно-дірковий механізм провідності виявляється лише в чистих (тобто без домішок) напівпровідників. Він називається власною електричною провідністю напівпровідників.
За наявності домішок електропровідність напівпровідників сильно змінюється. Наприклад, домішка фосфору в кристал кремнію в кількості 0,001 відсотка зменшує питомий опір більш ніж на п'ять порядків. Такий сильний вплив домішок може бути пояснений на основі викладених вище за уявлення про будову напівпровідників.
Необхідною умовою різкого зменшення питомого опору напівпровідника при введенні домішок є відмінність валентності атомів домішки від валентності основних атомів кристала.
Провідність напівпровідників за наявності домішок називається домішковою провідністю. Розрізняють двох типів домішкової провідності – електронну і діркову провідність.
Електронна провідність виникає, коли в кристал германію з чотиривалентними атомами введені п'ятивалентні атоми (наприклад, атоми миш'яку, As).
Немає коментарів:
Дописати коментар