Чем определяется электропроводность полупроводников. Электропроводность полупроводников: особенности, виды и применение

Что определяет электропроводность полупроводников. Как влияет строение атомов и примеси на проводимость. Какие бывают виды электропроводности в полупроводниках. Где применяются полупроводниковые материалы.

Строение атомов полупроводников и их влияние на электропроводность

Полупроводники, такие как германий и кремний, имеют особое атомное строение, которое определяет их уникальные электрические свойства. Чем характеризуются атомы этих элементов?

• Атомы германия содержат 32 электрона, а кремния — 14 электронов
• На внешней оболочке атомов находятся 4 валентных электрона
• Внутренние электроны прочно связаны с ядром и не участвуют в проводимости
• Валентные электроны могут стать свободными при определенных условиях

В кристаллической решетке полупроводника атомы расположены упорядоченно — каждый атом окружен четырьмя соседними атомами. Между ними образуются ковалентные связи, при которых валентные электроны обобществляются. Как это влияет на электропроводность?

Механизм возникновения электрического тока в полупроводниках

При низких температурах полупроводники практически не проводят электрический ток из-за отсутствия свободных носителей заряда. Что происходит при повышении температуры?

• Связь валентных электронов с ядрами ослабевает
• Часть электронов покидает атомы и становится свободными
• На месте ушедшего электрона образуется положительно заряженная «дырка»
• Чем выше температура, тем больше свободных электронов и дырок

При приложении напряжения свободные электроны начинают двигаться к положительному полюсу, а дырки — к отрицательному. Так возникает электрический ток в полупроводнике. Какие особенности имеет этот процесс?

Собственная проводимость полупроводников

В чистом полупроводнике без примесей наблюдается собственная проводимость. Каковы ее основные характеристики?

• Число свободных электронов равно числу дырок
• Электропроводность относительно низкая
• Сопротивление току высокое
• Проводимость растет с повышением температуры

Собственная проводимость обусловлена тепловым возбуждением электронов. Почему она недостаточна для большинства практических применений полупроводников?

Примесная проводимость полупроводников

Для повышения электропроводности в полупроводники добавляют примеси. Какие виды примесной проводимости существуют?

Электронная проводимость (n-тип)

При добавлении донорных примесей (например, мышьяка или фосфора) возникает электронная проводимость. В чем ее суть?

• Атомы примеси имеют 5 валентных электронов
• Один электрон остается «лишним» и легко отрывается
• Увеличивается концентрация свободных электронов
• Основные носители заряда — электроны

Дырочная проводимость (p-тип)

Акцепторные примеси (например, индий или галлий) создают дырочную проводимость. Каков механизм ее возникновения?

• Атомы примеси имеют 3 валентных электрона
• Для связи с 4-м соседним атомом не хватает электрона
• Образуется дырка — положительно заряженная частица
• Основные носители заряда — дырки

Как влияет тип примесной проводимости на электрические свойства полупроводника?

Влияние примесей на энергетическую структуру полупроводников

Добавление примесей изменяет энергетическую структуру полупроводника. Какие виды примесных энергетических уровней существуют?

Донорные уровни

• Располагаются в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости
• Легко отдают электроны в зону проводимости
• Требуется меньшая энергия активации электронов

Акцепторные уровни

• Располагаются вблизи валентной зоны
• Захватывают электроны из валентной зоны
• Способствуют образованию дырок

Как наличие примесных уровней влияет на электропроводность полупроводника при различных температурах?

Температурная зависимость проводимости полупроводников

Электропроводность полупроводников сильно зависит от температуры. Какие закономерности наблюдаются?

• При низких температурах проводимость близка к нулю
• С ростом температуры проводимость экспоненциально возрастает
• У примесных полупроводников зависимость имеет два участка
• При высоких температурах преобладает собственная проводимость

Почему температурная зависимость важна для практического применения полупроводников?

Применение полупроводниковых материалов

Уникальные свойства полупроводников обуславливают их широкое применение в электронике. В каких областях используются полупроводниковые приборы?

• Транзисторы и диоды в электронных схемах
• Интегральные микросхемы
• Солнечные элементы
• Светодиоды и лазерные диоды
• Термисторы и датчики

Какие преимущества дает использование полупроводников по сравнению с другими материалами в электронике?

Перспективы развития полупроводниковых технологий

Полупроводниковая электроника продолжает активно развиваться. Какие направления исследований являются наиболее перспективными?

• Создание новых полупроводниковых материалов
• Уменьшение размеров полупроводниковых структур
• Повышение быстродействия и энергоэффективности
• Разработка квантовых вычислительных устройств

Как развитие полупроводниковых технологий может повлиять на другие области науки и техники в будущем?

формула. Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках

Содержание:

• 1 Кристаллическая решетка кремния
• 2 Легирование полупроводников
• 3 Что такое удельная электропроводимость
• 4 Единицы проводимости
• 5 Области применения электропроводимости растворов
• 6 Температурный эффект, термокомпенсация
• 7 В чем разница между сопротивлением и проводимостью?
• 8 Единица измерения проводимости
• 9 Общее сопротивление параллельной цепи
• 10 Общая проводимость параллельной цепи
• 11 Строение атомов полупроводников.
• 12 Электропроводность полупроводника.
• 13 Электронно-дырочная проводимость.
  • 13.1 Электронная проводимость.
  • 13.2 Дырочная проводимость.
• 14 Свойства германия с примесями
  • 14.1 Влияние примесей на проводимость полупроводника

Кристаллическая решетка кремния

В обычном состоянии, атомы кремния образуют кристаллическую решетку. На внешней электронной оболочке атома находятся четыре электрона. С их помощью, устанавливается ковалентная связь с четырьмя соседними атомами. Каждый электрон в такой связи принадлежит двум атомам одновременно.

Таким образом, у каждого атома на внешней электронной оболочке находиться восемь электронов. В результате, поскольку последний уровень электронной оболочки оказывается завершенным, у атома очень трудно забрать его электроны и материал ведет себя как диэлектрик (не проводит электрический ток).

Легирование полупроводников

Для того чтобы повысить проводимость полупроводников, их специально загрязняют примесями – атомами химических элементов с другим значением валентности. Примеси с меньшим количеством валентных электронов, чем у полупроводника, называются акцепторами. Примеси с большей валентностью – донорами.

Сам этот процесс называется легированием полупроводников. Примерное соотношение — один атом примеси на миллион атомов полупроводника.

Что такое удельная электропроводимость

Удельная проводимость (или удельная электролитическая проводимость) определяется, как способность вещества проводить электрический ток. Это величина, обратная удельному сопротивлению. При химическом очищении воды очень важно измерить удельную проводимость воды, зависящую от растворенных в воде ионных соединений. Удельная проводимость легко может быть измерена электронными приборами. Широкий спектр соответствующего оборудования позволяет сейчас измерять проводимость практически любой воды, от сверхчистой (очень низкая проводимость) до насыщенной химическими соединениями (высокая проводимость).

Единицы проводимости

Основная единица измерения сопротивления — Ом. Удельная проводимость — величина обратная сопротивлению, она измеряется в Сименсах, ранее называвшихся mho. Применительно к сыпучим веществам удобнее говорить об особой проводимости, обычно называемой удельной проводимостью.

Удельная проводимость — это проводимость, измеренная между противоположными сторонами куба вещества со стороной 1 см. Единицей данного типа измерений является Сименс/см. При измерении проводимости воды чаще используются более точные мкС/см (микросименс) и мС/см (миллисименс).

Соответствующие единицы измерения сопротивления (или удельного сопротивления) — Ом/см, МегаОм/см и килоОм/см. При измерении сверхчистой воды чаще используют МегаОм/см, так как это дает более точные результаты. Сопротивление менее чистой воды, как например, водопроводной, измеряют в килоОм/см.

Большинство из нас, работая с практически чистой водой, используют единицы мкС/см и мС/см во время исследования воды с высокой концентрацией растворенных химических веществ. Использование удельной проводимости в данном приложении имеет преимущество почти прямой связи с примесями, особенно при низких концентрациях ионов, как, например, в системах охлаждения и бойлерах. Таким образом, рост удельной проводимости указывает на рост примесей, и можно установить критический уровень для контроля максимального уровня примесей.

Удельная проводимость некоторых растворов 1000 мг. в л.:

Состав	мкСм/см @ 25 C°	мСм/см
Бикарбонат натрия	870	0,87
Сульфат натрия	1300	1,30
Хлорид натрия	1990	1,99
Карбонат натрия	1600	1,60
Гидроксид натрия	5820	5,82
Гидроксид аммония	189	0,19
Соляная кислота	11000	11,10
Фтористоводородная кислота	2420	2,42
Азотная кислота	6380	6,38
Фосфорная кислота	2250	2,25
Серная кислота	6350	6,35

Области применения электропроводимости растворов

Измерения удельной проводимости широко используются при исследовании воды, используемой в промышленности, муниципальных и коммерческих учреждениях, больницах c помощью кондуктометров (портативных, лабораторных, карманных или промышленных). Пока индивидуальные ионы не могут быть определены это обычно не требуется, и удельная проводимость дает величину общих примесей.

Ниже мы приводим самые распространенные правила измерения:

Проводимость в мкС/см х 0.5 = T.D.S. (общее солесодержание) мг. в л. как у NaCl или

Проводимость в мкС/см х 0.75 = T.D.S. (общее солесодержание) мг. в л. как таковая

Главный недостаток измерений удельной проводимости это то, что они не специфичны, не дают возможности распознавания различных типов ионов. Вместо этого определяется пропорция общего эффекта присутствия всех имеющихся ионов и некоторых ионов, как NaOH, HCI, представленных в значительно большей степени.

См. «Удельная проводимость 1000 мг. в л. растворов» см. выше.
Второй недостаток соотнесения удельной проводимости к концентрации заключается в том, что концентрированные растворы показывают слегка заниженное число мкС/см на каждый мг. в л. в отличие от разреженных, как показано на графике ниже. Этот эффект основан на снижении скорости движения ионов при увеличении концентрации, что лежит в основе теории межионного притяжения.

Некоторые соединения могут снижать точность измерений, осаждаясь на датчике или щупе, например, карбонат кальция. В большинстве случаев эти трудности не превращаются в серьезные помехи и могут быть достигнуты достаточно точные результаты. В целом, измерение удельной проводимости — это быстрый, надежный и недорогой способ измерения количества ионных соединений в протоке. Как правило, при повторных измерениях разброс значений не превышает 1%.

Скорость движения ионов прямо пропорциональна температуре. Поэтому оптимальная температура во время измерения — 25 °C. См. ниже о влиянии температуры и автоматической температурной компенсации. Тест-измерители удельной проводимости и контроллеры широко используются в самых различных областях.

Температурный эффект, термокомпенсация

Удельная проводимость в водных растворах из-за движения ионов и постоянно возрастающей температуры противоположна удельной проводимости металлов, но приближается к показателям графита. Это обусловлено природой самих ионов и вязкостью воды. При низкой концентрации ионов (сверхчистая вода) ионизация воды позволяет определить часть проводящих ионов. Все эти процессы, а следовательно, и удельная проводимость существенно зависят от температуры.

Эта зависимость обычно выражается, как относительное изменение удельной проводимости на градус C при конкретной температуре, а в особых случаях, как процент на градус C°., называемый наклонением конкретного раствора. Сверхчистая вода имеет наибольшее наклонение в 5.2% на градус C°., в то время, как наклонение большей части водопроводной воды и воды в охлаждающих системах находится в диапазоне 1.8 — 2.0% на градус C°.

Концентрированные соленые растворы, кислоты и щелочные растворы имеют наклонение около 1.5% на градус C. Теперь очевидно, что небольшая разница в температуре незначительно изменяет удельную проводимость. По этой причине, чаще всего удельную проводимость относят к 25 C°.

К счастью, доступны температурные датчики с характеристиками, близкими к раствору, в исследовании которого мы заинтересованы, и с использованием дополнительных резисторов и электронных схем можно получить температурные кривые почти для любого раствора.

Температурный датчик используется как элемент регулировки электрической цепи, и значение проводимости автоматически приводится к эквивалентному значению при 25 C°.

Самые современные технологии используют микропроцессор и соответствующую таблицу, содержащую информацию о реакции раствора на температуру. Температура раствора измеряется, переводится в цифровой формат, затем сопоставляется с данными таблицы для получения точных значений.

В чем разница между сопротивлением и проводимостью?

Сопротивление, по определению, является мерой «трения», которое компонент представляет для прохождения через него тока. Сопротивление обозначается заглавной буквой «R» и измеряется в единицах «Ом». Однако мы также можем думать об этом электрическом свойстве с обратной ему точки зрения: насколько легко току течь через компонент, а не насколько трудно.

Если сопротивление – это термин, которое мы используем для обозначения меры того, насколько трудно току течь, то хорошим термином, чтобы выразить, насколько легко ток течет, будет проводимость. Математически проводимость – это величина, обратная сопротивлению:

[проводимость = frac{1}{сопротивление}]

Чем больше сопротивление, тем меньше проводимость; и наоборот.

Это должно быть интуитивно понятно, потому что сопротивление и проводимость – противоположные способы обозначения одного и того же важного электрического свойства.

Если сравнивать сопротивления двух компонентов и обнаружится, что компонент «A» имеет сопротивление вдвое меньше сопротивления компонента «B», то в качестве альтернативы мы могли бы выразить это соотношение, сказав, что компонент «A» в два раза более проводящий, чем компонент «B». Если компонент «A» имеет сопротивление, равное только одной трети от сопротивления компонента «B», то мы можем сказать, что он в три раза более проводящий, чем компонент «B», и так далее.

Единица измерения проводимости

В продолжение этой идеи были придуманы символ и единица измерения проводимости. Символ представляет собой заглавную букву «G», а единицей измерения был mho, что означает «ohm» (ом), написанное в обратном порядке (вы думали, что у электронщиков нет чувства юмора?).

Несмотря на свою уместность, единицы измерения mho в последующие годы были заменены единицей Сименс (сокращенно «См», или, в англоязычной литературе, «S»). Это решение об изменении названий единиц измерения напоминает изменение единицы измерения температуры в градусах стоградусной шкалы (degrees centigrade – от латинских слов «centum», т.е. «сто», и «gradus») на градусы Цельсия (degrees Celsius) или изменение единицы измерения частоты c.p.s. (циклов в секунду) в герцы. Если вы ищете здесь какой-то шаблон переименования, то Сименс, Цельсий и Герц – это фамилии известных ученых, имена которых, к сожалению, о природе единиц говорят нам меньше, чем их первоначальные обозначения.

Возвращаясь к нашему примеру с параллельной схемой, мы должны быть в состоянии увидеть, что несколько путей (ветвей) для тока уменьшают общее сопротивление всей цепи, поскольку ток может легче проходить через всю цепь из нескольких ветвей, чем через любую из них отдельно. Что касается сопротивления, дополнительные ветви приводят к меньшему общему значению (ток встречает меньшее сопротивление). Однако с точки зрения проводимости дополнительные ветви приводят к большему общему значению (ток протекает с большей проводимостью).

Общее сопротивление параллельной цепи

Общее сопротивление параллельной цепи меньше, чем любое из сопротивлений отдельных ветвей, потому что параллельные резисторы вместе «сопротивляются» меньше, чем по отдельности:

Рисунок 1 – Полное сопротивление параллельной цепи

Общая проводимость параллельной цепи

Общая проводимость параллельной цепи больше, чем проводимость любой из отдельных ветвей, потому что параллельные резисторы «проводят» вместе лучше, чем по отдельности:

Рисунок 2 – Полная проводимость параллельной цепи

Чтобы быть более точным, полная проводимость в параллельной цепи равна сумме отдельных проводимостей:

[G_{общ} = G_1 + G_2 + G_3 + G_4]

Если мы знаем, что проводимость – это не что иное, как математическая величина, обратная (1/x) сопротивлению, мы можем перевести каждый член приведенной выше формулы в сопротивление, подставив величину, обратную каждой соответствующей проводимости:

[frac{1}{R_{общ}} = frac{1}{R_{1}} + frac{1}{R_{2}} + frac{1}{R_{3}} + frac{1}{R_{4}}]

Решая приведенное выше уравнение для полного сопротивления (вместо значения, обратного общему сопротивлению), мы получим следующую формулу:

[R_{общ} = frac{1}{frac{1}{R_{1}} + frac{1}{R_{2}} + frac{1}{R_{3}} + frac{1}{R_{4}}}]

Итак, мы, наконец, пришли к нашей загадочной формуле сопротивления! Проводимость (G) редко используется в качестве практического параметра, поэтому при анализе параллельных цепей часто используется приведенная выше формула.

Строение атомов полупроводников.

Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыре валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.

На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.

Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих, и по одному, заимствованных от четырех соседних атомов. Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.

Электропроводность полупроводника.

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.
Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой. В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами. Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки.

Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

Электронно-дырочная проводимость.

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Электронная проводимость.

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов. Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи.

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Дырочная проводимость.

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

Свойства германия с примесями

В настоящее время из полупроводниковых элементов наибольшее применение нашли германий и кремний. Германий является очень редким элементом: содержание его в земной коре составляет менее 7·10-4%. Исходным продуктом для получения чистого германия является двуокись германия (GеO2), восстанавливаемая в водороде.

Кремний, наоборот, — один из самых распространенных элементов в природе и запасы его неисчерпаемы. Однако получение чистого кремния затруднено из-за высокой температуры плавления (более 1400° С) и большой химической активности в жидком состоянии.

Если в четырехвалентный германий добавить пятивалентный мышьяк или фосфор (донорную примесь), то примесные атомы займут в кристаллической решетке места отдельных атомов германия. При этом около каждого атома примеси остается один валентный электрон, не связанный с окружающими атомами германия.

При температуре, отличающейся от абсолютного нуля, этот электрон может покинуть атом примеси и стать свободным, причем возникновение свободных электронов не связано с появлением дырки. Для ионизации атома чистого германия необходима энергия 0,72 эв, тогда как для ионизации примесного атома требуется энергия 0,015 эв. Поэтому уже при комнатной температуре все свободные электроны донорной примеси находятся в зоне проводимости. Германий с донорной примесью называется германием n-типа. Если к нему приложить электрическое поле, то в полупроводнике появится ток.

При добавлении в четырехвалентный германий трехвалентного индия или галлия атом примеси, заняв место атома германия в кристаллической решетке, не будет иметь достаточного числа электронов для образования ковалентной связи. При температуре выше абсолютного нуля один из валентных электронов соседних атомов, получив достаточную энергию, заполнит недостающую связь. Примесный атом становится отрицательным ионом, а в том месте, откуда ушел электрон, образуется дырка. При этом свободный электрон не появляется, количество свободных электронов в зоне проводимости остается прежним. Для того чтобы электрон от атома германия перешел к атому примеси, ему надо сообщить энергию порядка 0,1 эв, в то время как для того, чтобы электрону от примесного атома перейти в зону проводимости, надо затратить энергию в 0,72 эв. При обычной комнатной температуре большинство электронов германия переходит к примесным атомам. Германий с акцепторной примесью называется германием р-типа.

В германии n-типа много свободных электронов, они рекомбинируют с дырками и уменьшают их количество; аналогично в германии р-типа много дырок, они рекомбинируют с электронами и уменьшают их количество.

Влияние примесей на проводимость полупроводника

Чистые полупроводники редко применяются в полупроводниковой технике. Обычно используются примесные полупроводники. Введение в полупроводник атомов соответствующей примеси способствует образованию дополнительных носителей тока, что приводит к повышению электропроводности иногда в десятки миллионов раз. В чистом  полупроводнике «поставщиком» электронов в зону проводимости может быть валентная зона. Введение примесей в полупроводник должно  способствовать переходу электронов в зону проводимости.

Существуют два вида примесей. В примесях первого вида энергетические уровни электронов примеси располагаются в запрещенной зоне полупроводника вблизи зоны проводимости.   Поэтому атомы примеси, являясь поставщиками электронов в зону проводимости, легко отдают в нее электроны, поскольку электронам при этом следует сробщить меньшую энергию ∆Е1, а не ∆Е, как в полупроводнике без примеси. Примесные уровни при температуре выше абсолютного нуля отдают свои электроны в зону проводимости тем интенсивнее, чем выше температура полупроводника. Примесные уровни такого вида называются донорными уровнями, а сами примеси — донорами (donarе — дарить, лат.).

Примесные уровни второго вида называются акцепторными, а сами примеси — акцепторами. Акцепторные уровни располагаются около валентной зоны. При абсолютном нуле температуры акцепторные уровни свободны, т. е. не заполнены. Поэтому при температуре, отличной от абсолютного нуля, на такие уровни могут перейти электроны из валентной зоны, и так как ∆Е2 < ∆Е, то число этих электронов будет больше, чем количество электронов, переходящих в зону проводимости. Уход электронов из валентной зоны дает возможность оставшимся здесь электронам, при наличии постороннего электрического поля, принять участие в проводимости в пределах этой зоны. При этом, как указывалось выше, дырки будут двигаться в направлении действия электрического поля.

Таким образом, электропроводность полупроводника можно увеличить путем введения донорной примеси (за счет возрастания электронов в зоне проводимости) либо путем введения акцепторной примеси (за счет возрастания числа дырок в валентной зоне).

Источники

• http://hightolow.ru/semiconductors3.php
• https://www.ecoinstrument.ru/service/public/izmerenie_elektroliticheskoy_provodimosti/
• https://radioprog.ru/post/990
• https://sesaga.ru/poluprovodniki-struktura-poluprovodnikov-tipy-provodimosti-i-vozniknovenie-toka-v-poluprovodnikax.html
• https://www.elel.ru/provodimost.html

[свернуть]

Электропроводность полупроводников

Общие представления зонной теории твердого тела указывают на то, что для полупроводников характерно наличие не очень широкой запрещенной зоны в энергетической диаграмме (см. табл. 8). Это приводит к тому, что при некоторой температуре из-за теплового возбуждения будет наблюдаться наличие свободных носителей как в зоне проводимости (электроны), так и в валентной зоне (дырки). Так как при каждом акте возбуждения в полупроводнике одновременно создаются два носителя заряда противоположных знаков, то общее число носителей будет в два раза больше числа электронов в зоне проводимости:

(13)

Такой полупроводник называется собственным, так как он не имеет примесей, влияющих на его электропроводность. Здесь индекс iозначает концентрацию носителей в собственном полупроводнике. С учетом (13) удельная проводимость имеет вид:

При этом концентрации носителей заряда, называемые равновесными, определяются выражениями:

где N_c, N_v– плотность энергетических уровней в зоне проводимости и в валентной зоне соответственно.

Подвижности носителей заряда в выражении (14) μ_n, μ_pнеодинаковы из-за разности инерционных свойств носителей, проявляющихся в разной величине эффективных масс электронов и дырок.

В производства большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники, в которых присутствие примеси приводит к изменению электропроводности полупроводника. По типу носителя заряда, появляющегося в полупроводнике из-за примесного атома, все примеси подразделяются на донорные и акцепторные. Сами полупроводниковые материалы подразделяются на электронные (полупроводник n-типа) и дырочные (полупроводникp-типа) по типу основных носителей заряда в объеме вещества (рис. 19) .

Рис. 19. Энергетическая диаграмма примесного полупроводника: а) n- типа; б) p- типа. Показаны донорные уровни ΔЕ_Д, ΔЕ_А, середина запрещенной зоны Е_iи уровень Ферми E_F, а также дно зоны проводимости Е_Си потолок валентной зоны Е_В

Удельная проводимость, согласно выражению (14), зависит от двух параметров: концентрации носителей заряда и их подвижности. Оба этих параметра имеют сложный характер зависимости от температуры.

Общий вид температурной зависимости концентрации носителей заряда в примесном полупроводнике показан на рис. 20. В области низких температур увеличение концентрации электронов при нагревании полупроводника обусловлено возрастанием количества ионизованной примеси. Это возрастание происходит по экспоненциальному закону, поэтому график низкотемпературного участка имеет линейный вид с наклоном, определяемым энергией ионизации примеси.

При дальнейшем нагревании все примесные атомы оказываются ионизованными, а вероятность тепловой генерации носителей заряда за счет собственных атомов еще ничтожно мала. Поэтому в достаточно широком температурном интервале концентрация носителей заряда остается постоянной и равной концентрации доноров. Этот участок называют областью истощения примеси.

При высоких температурах доминирующую роль начинают играть процессы тепловой генерации собственных носителей заряда и зависимость переходит в область собственной электропроводности, где величина концентрации носителей определяется выражением (15), а наклон участка определяется величиной запрещенной зоны.

Рис. 20. Температурная зависимость концентрации носителей заряда в полупроводнике

Подвижность носителей заряда также имеет сложную зависимость от температуры. Подвижность носителя заряда определяется как отношение средней установившейся скорости направленного движения к напряженности электрического поля:

(16)

Удельная проводимость полупроводника имеет вид:

(17)

Подвижность носителей заряда в полупроводниках с атомарной структурой, к которым относится большинство полупроводниковых материалов, определяется механизмами рассеяния. Такими механизмами рассеяния являются рассеяние на тепловых колебаниях решетки и рассеяние на ионизированных ионах примеси. Эти два механизма рассеяния приводят к появлению двух участков на температурной зависимости подвижности (рис. 21). На рис. 21 подвижность носителей, связанная с рассеянием на тепловых колебаниях, обозначена _а, а подвижность, связанная с рассеянием на ионизированных примесях, обозначена_и. Можно ясно видеть, что два механизма рассеяния имеют сильно отличающиеся друг от друга зависимости от температуры.

Рис. 21. Температурная зависимость подвижности носителей заряда в полупроводнике

Рассмотрев влияние температуры на концентрацию и подвижность носителей заряда, можно представить и общий ход изменения удельной проводимости при изменении температуры. Так как в полупроводниках с атомарной решеткой подвижность с температурой меняется по более слабому (по сравнению с экспоненциальным) степенному закону, то зависимость проводимости от температуры будет подобна температурной зависимости концентрации носителей заряда (рис. 22). На зависимости удельной проводимости также выделяют три характерных участка: область ионизации примеси (примесная проводимость), область истощения примеси и высокотемпературный участок собственной электропроводности (собственная проводимость), на котором наклон определяется величиной запрещенной зоны материала.

На рис. 22 можно выделить границу перехода к собственной проводимости. Эта граница характеризуется минимумом электропроводности γ_min, имеющим место при некоторой температуре. Согласно (14), зная γ_min, можно оценить собственную концентрацию носителей заряда n_0i: γ_min= γ_i=en_0i(_n+_p). Положение этой точки может изменяться довольно сильно и зависит как от концентрации легирующей примеси, так и от величины ширины запрещенной зоны полупроводника.

Помимо температурной зависимости удельной проводимости, практический интерес представляет также зависимость удельного сопротивления полупроводника от концентрации примесных атомов (рис. 23). Эта зависимость устанавливается экспериментальным путем и используется при расчетах количества легирующей примеси, необходимой для выращивания полупроводникового монокристалла с требуемым удельным сопротивлением.

Рис. 22. Температурные зависимости удельной проводимости полупроводника при разной концентрации примесей: N_Д1< N_Д2< N_Д3

Рис. 23. Зависимость удельного сопротивления германия и кремния от концентрации примеси при 20⁰С

Электропроводность в полупроводниках

Решения

• Полупроводник

Усовершенствованная электроника

Специальное промышленное оборудование

Поддержка

• Глобальная служба
• Техническая поддержка
• Технические ресурсы
• Связаться с МКС

Компания

• О МКС
• Отношения с инвесторами
• Новости и СМИ
• Карьера

Контакты

Корпоративные офисы

Продажа и поддержка приложений

Калибровка, обслуживание и ремонт

Техническая поддержка продукта

Чистые полупроводниковые кристаллы не являются особенно хорошими электрическими проводниками, хотя их проводимость намного выше, чем у изоляторов (табл. 1). Электрические свойства, которые делают полупроводниковые материалы, и особенно кремний, столь ценными в электронике и других устройствах, связаны с тем фактом, что их электропроводность можно непрерывно изменять за счет контролируемого включения атомов примеси в кристаллическую решетку. Это свойство позволяет использовать легированный и нелегированный кремний для управления электрическим током во множестве электронных устройств, включая диоды, конденсаторы и транзисторы. Транзисторы особенно важны в современной технике. Их можно сравнить с клапаном, который регулирует поток электричества: полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор), рис. 1(а), ведет себя как электрический выключатель, а биполярный ), рисунок 1(b) ведет себя в первую очередь как усилитель (управляющие сигналы) в своем линейном диапазоне. Такие транзисторы могут быть изготовлены только из полупроводниковых материалов.

Материал	Удельное сопротивление (Ом-см)	Проводимость (Ом- 1 -см- 1 )
Изоляторы
Твердая резина	1-100 х 10 13	1 × 10 -15 до 1 × 10 -13
Стекло	1-10000 х 10 9	1 × 10- 13 до 1 × 10 -9
Кварц (плавленый)	7,5 x 10 17	1,33 × 10 -18
Полупроводники
Углерод (графит)	3-60 х 10 -5	1,67 × 10 3 до 3,33 × 10 4
Германий	1-500 х 10 -3	от 2,0 до 1,00 × 10 3
Кремний	0,10- 60	1,67 × 10 от -2 до 10
Металлы
Серебро	1,63 x 10 -8	6,17 × 10 7
Медь (отожженная)	1,72 x 10 -8	5,95 × 10 7
Алюминий	2,65 x 10 -8	3,77 × 10 7

Таблица 1. Относительные электрические сопротивления и проводимости некоторых металлов.

Сегодня кремний является основным полупроводниковым материалом, используемым для крупномасштабного производства электронных устройств, и мы будем использовать его для иллюстрации электрических свойств полупроводников. Имейте в виду, что свойства, описанные для кремния, могут в равной степени описывать другие полупроводниковые элементы в таблице 1, а также различные составные полупроводники (GaAs, InP и т. д.), которые используются в более ограниченных приложениях (хотя и с некоторыми различиями в более мелких деталях). ).

Рисунок 1 . (a) условное обозначение и структура металлооксидно-полупроводникового полевого транзистора (MOSFET); (b) Обозначение и структура биполярного переходного транзистора (BJT).

Чистый кремний и другие элементарные полупроводники обычно называют собственными полупроводниками. Термин «собственная» означает, что электрическая проводимость является неотъемлемым свойством полупроводникового материала и не зависит от присутствия добавок. В дополнение к собственным полупроводникам при производстве полупроводниковых устройств также используются внешние полупроводники (см. рис. 2), которые зависят от наличия легирующих примесей для увеличения электропроводности материала. В таблице 1 показаны удельные сопротивления и проводимости при комнатной температуре для ряда металлов, собственных полупроводников и изоляторов. Элементарный кремний имеет удельное сопротивление 0,10—60 Ом·см — значительно выше, чем у металлического; однако оно на много порядков меньше удельного сопротивления типичного изолятора.

Рисунок 2 . Характеристики электропроводности полупроводника (кремния) и металла (вольфрама).

Еще одно различие между электрическими характеристиками полупроводников и металлов заключается в изменении их проводимости в зависимости от температуры. При абсолютном нуле (0 К) электропроводность полупроводника имеет нулевое значение (т. Е. Электропроводность минимальна), тогда как металл демонстрирует максимальную электропроводность при абсолютном нуле; кроме того, проводимость увеличивается с повышением температуры в полупроводнике, тогда как в металле она уменьшается с повышением температуры. На рис. 2 показан график сравнения температурных изменений электропроводности полупроводника (кремния) и металла (вольфрама). Различное поведение электропроводности, показанное на рисунке 2, можно понять с точки зрения различных механизмов, которые управляют электропроводностью в металле по сравнению с полупроводником.

В металлах есть много свободных электронов, способных проводить электричество. В металле валентная зона и зона проводимости перекрываются, поэтому электроны могут свободно перемещаться на множество доступных и вакантных энергетических уровней. Когда к куску металла прикладывается электрический потенциал, эти электроны могут свободно течь от более высокого потенциала к более низкому. Проводимость ограничивается только величиной рассеяния электронов, которое происходит из-за столкновений между текущими электронами и неподвижными атомами в металлической решетке. При 0 К атомы в металлической решетке находятся в покое, и рассеяние электронов минимально возможное. По мере повышения температуры металла тепловая энергия заставляет атомы в решетке колебаться. Эти вибрации увеличивают эффективный диаметр, который атом представляет потоку электронов, увеличивая способность каждого атома рассеивать электроны. Таким образом, по мере повышения температуры от 0 К атомы металла колеблются с постоянно увеличивающейся амплитудой, увеличивая степень рассеяния электронов и вызывая наблюдаемое снижение проводимости, показанное на рис. 2.9.0048

Рисунок 3 . Структура кремния и электропроводность.

Рисунок 3 может помочь понять, чем механизм протекания электрического тока в полупроводнике отличается от механизма протекания тока в металле. На рис. 3(а) показаны атомы кремния в кристалле, а также грубая схема того, как валентные электроны, связанные с каждым атомом кремния, распределяются между собой, образуя четыре связи, содержащие восемь электронов в валентной оболочке каждого атома. Как вы помните из основ химии, ковалентно связанным атомам для стабильности требуется восемь электронов на их валентной оболочке. Как показано на рис. 3(а), каждый валентный электрон в атоме кремния участвует в ковалентной связи, и поэтому, в отличие от металла, ни один из них не является свободным для электропроводности; кремний при абсолютном нуле является изолятором.

На рис. 3(b) показана грубая схема зонной структуры кремния при 0 К по сравнению с той же структурой при 298 К (25°С). При 0 К валентная зона заполнена, а зона проводимости пуста, и нет доступной тепловой энергии для поднятия валентного электрона в зону проводимости. При повышении температуры кремний поглощает тепловую энергию. Хотя эта энергия увеличивает тепловые колебания атомов кремния (вызывая повышенное атомно-электронное рассеяние), любая потеря электропроводности из-за этого явления компенсируется увеличением электропроводности из-за теплового продвижения электронов из валентного состояния в проводящее. группа. Этот эффект отсутствует в металлах, так как зона проводимости перекрывает валентную зону. Продвижение электрона из валентной зоны в зону проводимости создает электронно-дырочную пару, которая представляет собой подвижные носители как в зоне проводимости (электроны), так и в валентной зоне (дырки). Электрический ток теперь будет течь в материале при приложении потенциала. Из рисунка 3(b) видно, что в собственном полупроводнике существует баланс между количеством электронов в зоне проводимости и количеством дырок в валентной зоне. Концепция дыр важна при обсуждении электронных устройств, потому что электрический ток обычно изображается как результат движения дырок. Поскольку дырки представляют собой отсутствие отрицательных зарядов (электронов), полезно думать о них как о положительных зарядах. По соглашению электрические поля (и, следовательно, электрический потенциал) изображаются в виде вектора, идущего наружу от областей с положительным зарядом. Следовательно, при рассмотрении протекания тока электроны движутся в направлении, противоположном направлению приложенного электрического поля (т. Е. К положительному заряду), а дырки движутся в направлении электрического поля.

Рисунок 4 . Элементарные полупроводники и наиболее распространенные примеси n- и p-типа, используемые для создания внешних полупроводников.

По сравнению с металлами электропроводность полупроводников не очень высока, как видно из значений в таблице 1. Однако электропроводность полупроводников можно значительно увеличить (и, по сути, довести до целевых значений) путем добавления примесей атомы, называемые легирующими примесями. «Легированные» полупроводниковые материалы обычно называют внешними полупроводниками. На рис. 4 показана область Периодической таблицы, содержащая элементарные полупроводники и легирующие элементы, которые можно использовать для создания внешнего полупроводника. Легирующие примеси — это те элементы, которые находятся по обе стороны от столбца IVA периодической таблицы. Атом легирующей примеси подобен по размеру собственному атому полупроводника в том же ряду, но имеет либо на один электрон меньше, либо на один больше в своей валентной оболочке. Атомы примеси могут легко заменить атом полупроводника в его кристаллической решетке. На рис. 5 показано внедрение атома группы VA (примесь n-типа, фосфор) или группы IIIA (примесь p-типа, бор) в кристаллическую решетку кремния, а также эффект замещения атома кремния атомом атом легирующей примеси оказывает на зонную структуру кремния.

Рисунок 5 . Влияние примесей на ширину запрещенной зоны в примесном кремнии.

Когда кремний заменяется фосфором, легирующей примесью n-типа (донором), дополнительный электрон в валентной оболочке фосфора находится на более высоком энергетическом уровне (донорный уровень на рис. 5(a)), чем электроны в заполненной валентности кремния. группа. Этот легирующий электрон может легко перепрыгнуть небольшую энергетическую запрещенную зону (0,045 эВ для фосфора, что намного меньше ширины запрещенной зоны 1,1 эВ для чистого кремния при комнатной температуре; типичные значения ширины запрещенной зоны донора находятся в диапазоне от 0,039).до 0,054 эВ) в пустую зону проводимости и стать свободным носителем. Концентрация свободных носителей (и, следовательно, электропроводность) в внешнем полупроводнике n-типа примерно пропорциональна концентрации легирующей примеси в материале. Поскольку свободный электрон, генерируемый атомами примеси в полупроводнике n-типа, не создает соответствующей дырки в заполненной валентной зоне, доминирующими носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны. Аналогичным образом бор может быть легко заменен кремнием в объемной кристаллической решетке, как показано на рис. 5(b). Поскольку в боре на один электрон меньше, чем в кремнии, это создает дырку (акцепторный уровень) с энергией, чуть большей, чем вершина заполненной валентной зоны кремния. Под действием электрического поля требуется небольшая энергия (0,045 эВ для B; типичная ширина запрещенной зоны акцептора находится в диапазоне от 0,045 до 0,160 эВ), чтобы электрон в валентной зоне продвинулся на этот акцепторный уровень, оставив после себя дырку в валентная полоса. Затем другие связанные электроны в валентной зоне могут прыгнуть в эту дырку, и последующее движение дырки несет электрический ток. Таким образом, для внешних полупроводников p-типа дырки являются основными носителями заряда для протекания тока. На рис. 6 показана зависимость между концентрацией примеси и удельным сопротивлением (обратная величина проводимости) для примесей n- и p-типа в кристаллическом кремнии.

Рисунок 6 . Зависимость удельного электросопротивления при 298К от концентрации легирования.

Физика полупроводников

• Электрические характеристики твердых тел
• Электропроводность в твердых телах

Основные конструкции устройств

• P-N соединение
• Диоды
• Биполярный переходной транзистор
• МОП-транзистор
• FinFET
• Флэш-транзистор

---

Для получения дополнительной информации по таким полупроводниковым темам загрузите наш бесплатный справочник MKS Instruments Handbook: Semiconductor Devices & Process Technology

Запросить справочник

Введите свой адрес электронной почты ниже, чтобы сбросить пароль учетной записи.

Адрес электронной почты: обязательно

.

Удалить этот продукт из списка сравнения?

---

Доступность:

Идентификатор НДС имеет недопустимый формат. Он не будет сохранен вместе с заказом при отправке.

Модель:  

Просмотр корзины и оформление заказа Продолжить покупки

---

Модель:  

Запросить цену Продолжить покупки

Электропроводность — Полупроводники — Тип, энергия, столбец и электроны

Полупроводники — это материалы, у которых проводимость намного ниже, чем у металлов, и она широко варьируется за счет контроля их состава. Теперь известно, что эти вещества являются плохими изоляторами, а не плохими проводниками, с точки зрения их атомной структуры. Хотя некоторые полупроводниковые вещества были идентифицированы и изучены во второй половине девятнадцатого века, их свойства не могли быть объяснены на основе классических физика . Только в середине двадцатого века, когда современные принципы квантовой механики были применены к анализу как металлов, так и полупроводников, теоретические расчеты значений проводимости согласовывались с результатами экспериментальных измерений.

В хорошем изоляторе электроны не могут двигаться, потому что почти все разрешенные орбитальные состояния заняты. Затем необходимо подать энергию, чтобы перевести электрон из крайнего связанного положения в более высокое разрешенное состояние. При этом остается вакансия, в которую может перескочить другой связанный электрон под действием электрического поля. Таким образом, и возбужденный электрон, и его вакансия становятся подвижными. Вакансия действует как положительный заряд, называемый дыркой, и дрейфует в направлении, противоположном электронам. Электроны и дырки обычно называют носителями заряда.

В хороших изоляторах энергия активации носителей заряда высока, и их доступность требует соответственно высокой температуры. В плохих изоляторах, то есть в полупроводниках, активация происходит при температурах немного выше 80,6°F (27°C). Каждое вещество имеет характеристическое значение.

Существует гораздо больше соединений, чем элементов, которые можно отнести к полупроводникам. Некоторые элементы из столбца IV периодической таблицы имеют ковалентные связи: углерод (C), германий (Ge) и кремний (Si). Для углерода только форма графита является полупроводниковой; алмаз является отличным изолятором. Следующий элемент в этой колонке, олово (Sn), претерпевает переход от полупроводника к металлу при 59°F (15°C), ниже комнатной температуры, что свидетельствует о бесполезно низкой энергии активации. Другие элементы, проявляющие полупроводниковые свойства, находятся в нижней части столбца VI, в частности, селен (Se) и теллур (Te).

Существуют две основные группы соединений с полупроводниковыми свойствами, названные по столбцам таблицы Менделеева, из которых они состоят: III-V, включая арсенид галлия (GaAs) и антимонид индия (InSb), среди прочих; и II-VI, включая сульфид цинка (ZnS), селениды, теллуриды и некоторые оксиды. Эти соединения во многом имитируют поведение элементов IV столбца. Их химические связи смешанные ковалентные и ионные. Существуют также некоторые органические полупроводниковые соединения, но их анализ выходит за рамки данной статьи.

Полупроводник называется собственным, если его проводимость является результатом равных вкладов его собственных электронов и дырок. Затем уравнение необходимо расширить:

В собственном полупроводнике n _e = n _h , а e имеет одно и то же числовое значение для электрона (-) и оставшейся позади дырки (+). Подвижности обычно разные. Эти члены добавляются, потому что противоположные заряды движутся в противоположных направлениях, что приводит к паре одинаковых знаков в каждом произведении.

Для применения в устройствах полупроводники редко используются в чистом виде или в собственном составе. В тщательно контролируемых условиях вводятся примеси, которые вносят свой вклад либо в избыток, либо в недостаток электронов. Избыточные электроны нейтрализуют дырки, так что для проводимости доступны только электроны. Полученный материал называется n-типом, где n означает отрицательный носитель. Примером материала n-типа является Si с Sb, элементом столбца IV с примесью столбца V, известной как донор. В материале n-типа атомы доноров остаются фиксированными и положительно ионизированными. Когда примесь столбца III вливается в элемент столбца IV, электроны связываются, а дырки становятся доступными. Этот материал называется p-типом, p для положительного носителя. Примеси колонки III известны как акцепторы; в материале акцепторные атомы остаются фиксированными и отрицательно ионизированными. Примером материала p-типа является Si с Ga. Полупроводники как n-типа, так и p-типа называются внешними.

Тепловая кинетическая энергия — не единственный механизм высвобождения носителей заряда в полупроводниках. Фотоны с энергией, равной энергии активации, могут быть поглощены связанным электроном, который в собственном полупроводнике добавляет и себя, и дырку в качестве подвижных носителей. Эти фотоны могут находиться в видимом диапазоне или в ближнем инфракрасном диапазоне, в зависимости от E _G . Во внешних полупроводниках фотоны гораздо более низких энергий могут вносить вклад в пул преобладающего типа носителей при условии, что материал охлаждается до криогенных температур, чтобы уменьшить количество термически активированных носителей. Это поведение известно как фотопроводимость.

Каждая отдельная разновидность полупроводника является омической, с постоянной проводимостью при постоянной температуре. Однако при повышении температуры проводимость очень быстро возрастает. Концентрация доступных носителей изменяется в соответствии с экспоненциальной функцией:

, где E _G — щель или энергия активации, k — постоянная Больцмана (1,38 × 10 ²³ Дж/кельвин), T — абсолютная величина (Кельвина), а произведение kT представляет собой тепловую энергию, соответствующую температуре T. Увеличение количества доступных носителей заряда перевешивает любое уменьшение подвижности, и это приводит к отрицательному значению a. Действительно, уменьшение сопротивления при повышении температуры является надежным признаком того, что вещество является полупроводником, а не металлом. Графит является примером проводника, который кажется металлическим во многих отношениях, за исключением отрицательного значения АЛЬФА. Обратное, положительное значение ALPHA, не является таким отчетливым тестом на металлическую проводимость.

Уровень Ферми, E _F , может быть показан по-разному для собственных полупроводников, полупроводников n-типа и p-типа.