И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Такое исчезновение пар носителей называется рекомбинацией носителей заряда. Этому процессу соответствует показанный штриховой стрелкой на рис. 1.7 переход электрона из зоны проводимости в валентную зону. Процессы генерации и рекомбинации пар носителей всегда происходят одновременно. Рекомбинация ограничивает возрастание числа пар носителей, и при каждой данной температуре устанавливается определенное число электронов и дырок проводимости, т, е.
они находятся в состоянии динамического равновесия. Это означает, что генерируются все новые и новые пары носителей, а ранее возникшие пары рекомбинируют. Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником или полупроводником бтина. Он обладает собственной электропроводностью, которая, как было показано, складывается из электронной и дырочной злектропроводности.
При этом, несмотря на то что 24 число электронов и дырок проводимости в собственном полупроводнике одинаково, электронная электропровод- ность преобладает, что объясняется болыней пддвижностью электронов по сравнению с подвижностью дырок. Понять это нетрудно. Ведь дырочная злектропроводность представляет собой перемещение электронов более ограниченное (менее свободное), нежели перемещение электронов проводимости„ т, е.
электронная электропроводность. Удельная электрическая проводимость полупроводников зависит от концентрации носителей заряда, т. е. от их числа в единице обьема, например в 1 смз. Будем обозначать концентрацию электронов и дырок проводимости соответственно буквами л и р — от слов небагве 1отрицательный) и роаг1ое (положительный).
Очевидно, что для собственного полупроводника всегда н; = рь Индекс 1 здесь указывает, что эти концентрации относятся к собственному полупроводнику. Число М атомов в 1 см металла или полупроводника порядка 10". При температуре, близкой к 20'С, концентрация носителей заряда 1приближенно) для чистого германия и, = р,=10' см з, а для кремния н; = р; = 10гв см '.
Следовательно, в собственном полупроводнике при комнатной температуре число подвижных носителей заряда по отношению к общему числу атомов составляет около 10;; для германия н около 10 'в',г для кремния. А в металлах число электронов проводимости не меньше числа атомов 1н > М). Поэтому удельная электрическая проводимость полупроводников в миллионы и миллиарды раз меньше, чем у металлов. Например, при комнатной температуре удельное сопроТивление меди равно 0,017 10 " Ом см 11 Ом см есть сопротивление 1 смз вещества), германия— примерно 50 и кремния — около 100000 Ом см.
Если к полупроводнику не приложено напряжение, то электроны и дырки проводимости совершают хаотическое тепловое движение и никакого тока, конечно, нет. Под действием разности потенциаловвполупроводнике возникает электрическое поле, которое ускоряет электроны и дырки и сообщает им еще некоторое поступательное движение, представляющее собой гиок проводим осага. Движение носителей заряда под действием электрического поля иначе называют дрейфом носителей, а ток проводимости — током дрейфа г, Полный ток проводимости складывается из электронного и дырочного тока проводимости ': ~вг ггав + ге ж' (1.1) Несмотря на то что электроны и дырки движутся в противоположных направлениях, зти токи складываются, так как движение дырок представляет собой перемещение электронов.
Например, если в собственном полупроводнике электронная составляющая тока )юж = 6 мА, а дырочная составляющая вследствие меньшей подвижности дырок !е„в — — 3 мА, то полный ток проводимости (ав — — 6+ 3 = 9 мА. Чтобы установить, от каких величин зависит ток дрейфа, удобнее рассматривать не сам ток, а его плотность. Очевидно, что плотность тока дрейфа у,,р складывается из плотности электронного и дырочного тока: ,7вр —— у„вг + ув,к (1.2) Так как плотность тока равна количеству электричества, проходящему через единицу площади поперечного сечения за 1 с, то можно написать для плотности электронного тока (!.3) где н; — концентрация электронов, е— заряд электрона и с„ — средняя скорость поступательного движения электронов под действием поля.
Нужно помнить, что средняя скорость учитывает беспорядочное тепловое движение с многочисленными столкновениями электронов и атомов кристал- ' Индексы л н р означают полупроводники в- н р-ти-а. лической решетки. От одного столкновения до другого электроны ускоряются полем, и поэтому скорость с„пропорциональна напряженности поля Е: (1.4) в„= рьЕ. Здесь р„есть коэффициент пропорциональности, называемый ггос)вижсэгоспгыа злеюпронов. Смысл этой величины легко раскрывается, если на основании формулы (!.4) написать й„= г„!Е (!.5) Из этой формулы следует, что при Е = 1 получается й„= г„. г. е, подвижность электронов есть средняя скорость их поступательного движения под действием поля с единичной напряженностью. Если скорость выражать в сантиметрах в секунду, а напряженность поля — в вольтах на сантиметр, то единица посмгс движности будет = см'/(В с). НаВ!см пример, при комнатной температуре подвижность электронов в чистом германии составляет 3600 см'/(В.с), т.
е. под действием поля с напряженностью 1 В!см электроны проводимости чистого германия получают среднюю скорость 3600 см/с. Подвижность электронов в различных полупроводниках различна, и с повышением температуры она уменьшается, так как увеличивается число столкновений электронов с атомами кристаллической решетки. Выразив в формуле (!.3) скорость через р„Е, получим Х„,р — — церЕ. В этом выражении произведение абер„ представляет собой удельную электронную проводимость о„, что следует из записи закона Ома для плотности тока: (1.7) Приведенные соотношения и рассуждения можно повторить и для дырок проводимости.
Тогда для плотности дырочного гока получим формулу зг ~г = ргейвЕ (1.8) в которой произведение р,ер является удельной дырочной проводимостью о,. 25 Плотность полного тока дрейфа в собственном полупроводнике ,)лр — — кйеи„Е + р!е)ь Е = (о„+ ов) Е, !1.9) а полная удельная проводимость о = о„+ он — — и!е1)г„+ рв). 11.10) Таким образом, удельная проводимость зависит от концентрации носителей и от их подвижности. В полупроводниках при повышении температуры вследствие интенсивной генерации пар носителей концентрация подвижных носителей увеличивается значительно быстрее, нежели уменьшается их подвижность, поэтому с повышением температуры проводимость растет. Для сравнения можно отметигь, что в металлах концентрация электронов проводимости почти не зависит от температуры и при повышении температуры проводимость уменьшается вследствие уменьшения подвижности электронов.
Напомним также, что всегда ц < р„ и, следовательно, ор < с„. Например, при комнатной температуре для германия и„= 3600 и йк = 1820 смэАВ.с), а для кремния р„= 1300 и ц„= 460 смэ/(В с). ЬЗ. ПРИМЕСНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ Если в полупроводнике имеются примеси других веществ, то дополнительно к собственной электропровод- ности появляется еще примесная электропроводность, которая в зависимости от рода примеси может быть электронной или дырочной.
Например, германий, будучи четырехвалентным, обладает примесной электронной злектропроводностью, если к нему добавлены пятивалентные сурьма !8)э), или мышьяк !Ав), или фосфор (Р). Их атомы взаимодействуют с атомами германия только четырьмя своими электронами, а пятый электрон они отдают в зону проводимости. В результате добавляется некоторое число электронов проводимости. Примеси„атомы которых отдают электроны, называют доноралки («донор» означает «дающий, жертвующий»). Атомы доноров, теряя электроны, сами заря- 26 Рнс. !.8. Возникновение прнмесной электрон- ной электропроводностн жаются положительно.
На рис. 1.8 показано с помощью плоскостной схемы строения полупроводника, как атом до. парной примеси !пятивалентной сурьмы), находящийся в окружении атомов германия, отдает один электрон в зону проводимости. Полупроводники с преобладанием электронной электропроводности называют электронными полупроводниками или полупроводниками и-типа. Зонная диаграмма такого полупроводника показана на рис. 1.9. Энергетические уровни атомов донора расположены лишь немного ниже зоны проводимости основного полупроводника. Поэтому из каждого атома донора один электрон легко переходит в зону проводимости, и таким образом в этой зоне появляется дополнительное число электронов, равное числу атомов 'донора. В самих атомах донора при этом дырки не образуются. Вона проВодимости УроВни донороВ Волентнав зона Рис.
!.9. Зоннвя диаграмма полупроводника л- гнив Зона лаадади- масти Уродки акцвлтааад далентная вана $ ! 1 Если же четырехвалентный германий содержит примеси трехвалентных бора (В), или индия )1и), нли алюминия (А!), то их атомы отнимают электроны от атомов германия и в последних образуются дырки. Вещества, отбирающие электроны и создающие примесную дырочную электропроводность, называют акцелторами !«акцептор» означает «принимаю!ций»). Атомы акцептора, захватывая электроны, сами заряжаются отрицательно.
Рис. 1.10 показывает схематически, как атом акцепторной примеси, расположенный среди атомов германия, захватывает электрон от соседнего атома германия, в котором при этом создается дырка. Рнс. 1.10. Возникновение прнмесной лыроч- ной злектропроводностп Полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности называют дырочлыми лол»проводниками или полупроводниками р-тило (рис. 1.11). Энергетические уровни акцепторных атомов располагаются лишь немного выше валентной зоны.. На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, в которой при этом возникают дырки. В полупроводниковых приборах используются главным образом полупроводники, содержа!цие донорные или акцепторные примеси и называемые примесными.
При обычных рабочих температурах в таких полупроводниках все атомы примеси участвуют в создании примесной злектропроводности, т. е. каждый атом примеси либо отдает, либо захватывает один электрон. Чтобы примесная злектропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов донорной примеси М„или акцепторной примеси Н, должна превышать концентрацию собственных носителей заряда. Практически при изготовлении примесных полупроводников значения А!„или А!к всегда во много раз больше, чем л; илн рь Например, для германия, у которого при комнатной температуре л; = р! = !О' см з, концентрации М» и А!„могут быть равными 10' — 1О'к см каждая, т, е. в !Ох в 10з раз больше концентрации собственных носителей. В дальнейшем все числовые примеры мы будем приводить для германия при комнатной температуре.
Носители заряда, концентрация кото- Рпс. 1.11. Зонная диаграмма полупроводника р-типа рых в данном полупроводнике преобладает, называются основными. Ими являются электроны в полупроводнике л-типа и дырки в полупроводнике р-типа. Неосновиыми называются носители заряда, концентрация которых меньше, чем концентрация основных носителей. Если Ж„ л» ль то можно пренебречь концентрацией собственных носителей, т. е. электронов, и тогда л„ Ам Например, для германия л-типа может быть л„= 10'в см з.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
