лекция 9. Xiii. Постоянный электрический ток. 92. Электрический ток. Сила тока. Плотность тока
 Скачать 5.37 Mb.
|
§104. D:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\design\images\Fwd_h.gifD:\Program Files\Physicon\Open Physics 2.5 part 2\design\images\Bwd_h.gifЭлектрический ток в полупроводниках.По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.
Концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Поэтому с увеличением температуры удельное сопротивление полупровод-ника уменьшается. Рассмотрим механизм электрического тока в полупроводниках на примере германия (Ge). (рис.14.7)
Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Валентные электроны в кристалле германия сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит. Собственная проводимость. При повышении температуры, некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые получили название «дырок». Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместиться на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – рекомбинация (при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь). Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении. Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного Iэ и дырочного Iд токов: I = Iэ + Iд. Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: nэ = nд Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (без примесей) полупроводников и называется собственнойэлектрической проводимостью полупроводников. Примесная проводимость. Проводимость полупроводников при наличии примесейсильно изменяется, (добавка примесей фосфора в кристалл кремния в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков). Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивле-ния полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла. Различают два типа примесной проводимости – элект-роннуюидырочную проводимости. Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка As, фосфора Р и др.). (рис.14.8)
В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника. В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле nэ >> nд. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, называется полупроводником n-типа. Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы. Например, атом индия In создает с помощью своих валентных электронов ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. (рис.14.9)
Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу. Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: nд >> nэ. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью, а полупроводник называется полупроводником p-типа. Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p- типа являются дырки. |
Рис.14.8
Рис.14.9