Полупроводники при наличии примесей

Природа носителей тока в полупроводниках. Собственные полупроводники. Примесные полупроводники. Доноры и акцепторы. Электропроводность полупроводников. Эффект Холла. Контакт электронного и дырочного полупроводников. p-n переходы. Многослойные полупроводниковые структуры. Транзисторы. Гетеропереходы в полупроводниках.

Полупроводниками назвали класс веществ, у которых с повышением температуры увеличивается проводимость, уменьшается электрическое сопротивление. Этим полупроводники принципиально отличаются от металлов.( кремний, германий, селен и некоторых соединений.)

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

Собственный полупроводник или полупроводник i-типа— это чистый полупроводник, содержание посторонних примесей в котором не превышает 10−8 … 10−9%. Концентрация дырок в нём всегда равна концентрации свободных электронов

Если полупроводник чистый, он обладает собственной проводимостью которая невелика. Собственная проводимость бывает двух видов:

1) электронная(проводимость"n"-типа)

При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны— сопротивление уменьшается. Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности эл. поля. Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

2) дырочная(проводимость"p"-типа)

При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном - "дырка". Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение "дырки" равноценно перемещению положительного заряда.
Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением ( фотопроводимость ) и действием сильных электрических полей.

Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей "p" и "n" — типов и называется электронно-дырочной проводимостью.

Примесный полупроводник - это полупроводник, электрофиические свойства которого определяются, в основном, примесями других химических элементов.

Полупроводники при наличии примесей

У них существует собственная + примесная проводимость. Наличие примесей сильно увеличивает проводимость. При изменении концентрации примесей изменяется число носителей эл. тока - электронов и дырок.
Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.

Существуют:

1)донорныепримеси(отдающие) являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.
Это проводники " n " - типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда - электроны, а неосновной - дырки.
Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью. Например - мышьяк.

2) акцепторные примеси ( принимающие ) создают "дырки", забирая в себя электроны. Это полупроводники " p "- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда - дырки, а неосновной электроны. Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью. Например - индий.

Акце́птор —примесь в кристаллической решётке, которая придаёт кристаллу дырочный тип проводимости, при которой носителями заряда являются дырки.

Донор— примесь в кристаллической решётке, которая отдаёт кристаллу электрон.

 

Эффе́кт Хо́лла — явление возникновения поперечной разности потенциалов (называемой также холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле.

Пусть через проводящий брусок в слабом магнитном поле течёт электрический ток под действием напряжённости . Магнитное поле будет отклонять носители заряда к одной из граней бруса от их движения вдоль или против электрического поля. При этом критерием малости будет служить условие, что при этом носители заряда не начнут двигаться по циклоиде.

Таким образом, сила Лоренца приведёт к накоплению отрицательного заряда возле одной грани бруска, и положительного — возле противоположной. Накопление заряда будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов не скомпенсирует магнитную составляющую силы Лоренца:

Скорость электронов можно выразить через плотность тока:

где — концентрация носителей заряда. Тогда

Коэффициент пропорциональностимежду и называется коэффициентом Холла.В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определять их тип для большого числа металлов. Для некоторых металлов (например, таких, как свинец, цинк, железо, кобальт, вольфрам), в сильных полях наблюдается положительныйзнак ,что объясняется в полуклассической теории и квантовой теории твердого тела.