Типы проводимости в полупроводниках: виды, механизмы и применение

Какие существуют типы проводимости в полупроводниках. Как возникает собственная и примесная проводимость. Чем отличаются электронная и дырочная проводимость. Где применяются полупроводники с разными типами проводимости.

Основные виды проводимости в полупроводниках

Полупроводники обладают уникальными электрическими свойствами, занимая промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их главная особенность — возможность управления проводимостью, которая может быть двух основных типов:

• Собственная проводимость
• Примесная проводимость

Собственная проводимость возникает в чистых полупроводниках без примесей. Примесная проводимость создается путем добавления специальных примесей в кристаллическую решетку полупроводника. Рассмотрим подробнее механизмы возникновения этих типов проводимости.

Механизм собственной проводимости полупроводников

В чистом полупроводнике при абсолютном нуле все электроны находятся в валентной зоне, участвуя в ковалентных связях между атомами. При повышении температуры некоторые электроны получают достаточно энергии, чтобы перейти в зону проводимости, оставляя после себя дырки в валентной зоне. Таким образом формируются два типа носителей заряда:

• Свободные электроны в зоне проводимости
• Дырки в валентной зоне

Движение этих носителей заряда под действием электрического поля и создает электрический ток в полупроводнике. При этом концентрации электронов и дырок равны. Такой тип проводимости называется собственной или электронно-дырочной.

Особенности примесной проводимости полупроводников

Для увеличения проводимости в чистый полупроводник добавляют специальные примеси. В зависимости от типа примесей различают два вида примесной проводимости:

• Электронная проводимость (n-тип)
• Дырочная проводимость (p-тип)

При электронной проводимости основными носителями заряда являются электроны, при дырочной — дырки. Рассмотрим механизмы возникновения каждого из этих типов.

Электронная проводимость n-типа

Электронная проводимость создается путем добавления в полупроводник донорных примесей — атомов с большей валентностью. Например, в кремний добавляют атомы фосфора. Четыре электрона фосфора образуют ковалентные связи с соседними атомами кремния, а пятый электрон оказывается слабо связанным и легко отрывается, становясь свободным носителем заряда. Таким образом, концентрация электронов значительно превышает концентрацию дырок.

Дырочная проводимость p-типа

Дырочная проводимость возникает при добавлении в полупроводник акцепторных примесей — атомов с меньшей валентностью. Например, в кремний добавляют атомы бора. Три электрона бора образуют ковалентные связи, а для четвертой связи не хватает электрона — образуется дырка. Она может захватывать электроны из соседних связей, перемещаясь по кристаллу. В результате концентрация дырок становится намного больше концентрации электронов.

Сравнение собственной и примесной проводимости

Ключевые отличия собственной и примесной проводимости полупроводников:

1. В собственном полупроводнике концентрации электронов и дырок равны, в примесном — преобладает один тип носителей.
2. Собственная проводимость сильно зависит от температуры, примесная — в меньшей степени.
3. Примесная проводимость значительно выше собственной при той же температуре.
4. В собственном полупроводнике уровень Ферми лежит посередине запрещенной зоны, в примесном — смещен к зоне проводимости (n-тип) или валентной зоне (p-тип).

Температурная зависимость проводимости полупроводников

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. С ростом температуры проводимость увеличивается, в отличие от металлов. Это объясняется следующими факторами:

• Увеличение концентрации носителей заряда за счет тепловой генерации электронно-дырочных пар
• Рост подвижности носителей заряда

Для собственных полупроводников эта зависимость имеет экспоненциальный характер. У примесных полупроводников выделяют три области:

1. Область примесной проводимости (низкие температуры)
2. Область истощения примесей (средние температуры)
3. Область собственной проводимости (высокие температуры)

Применение полупроводников с разными типами проводимости

Полупроводники с различными типами проводимости нашли широкое применение в электронике и других отраслях:

• Транзисторы и диоды — основа современной электроники
• Солнечные элементы для преобразования световой энергии в электрическую
• Термисторы — датчики температуры
• Фоторезисторы и фотодиоды для регистрации света
• Тензорезисторы для измерения деформаций
• Термоэлектрические преобразователи

Комбинация полупроводников с разными типами проводимости позволяет создавать сложные электронные устройства с уникальными свойствами.

Методы измерения типа проводимости полупроводников

Для определения типа проводимости полупроводника используют следующие методы:

1. Эффект Холла — измерение знака ЭДС Холла
2. Метод термозонда — измерение знака термоЭДС
3. Емкостные методы — измерение вольт-фарадных характеристик
4. Оптические методы — анализ спектров поглощения и люминесценции

Выбор метода зависит от конкретного материала и требуемой точности. Часто используют комбинацию нескольких методов для повышения достоверности результатов.

Виды проводимости полупроводников | Электротехника

Полупроводниковые материалы имеют твердую кристаллическую структуру и по своему удельному сопротивлению (r = 10^-4…10¹⁰ Ом ?см) занимают промежуточную область между проводниками электрического тока (

r = 10^-6…10^-4 Ом ?см) и диэлектриками (r = 10¹⁰…10¹⁶ Ом ?см). При изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем наиболее широко используются германий, кремний и арсенид галлия. К полупроводникам относятся также селен, теллур, некоторые окислы, карбиды и сульфиды.

Характерным свойством полупроводников является сильное изменение удельного сопротивления под влиянием электрического поля, облучения светом или ионизированными частицами, а также при внесении в полупроводник примеси или его нагреве. Если при нагреве удельное сопротивление проводников увеличивается, то полупроводников и диэлектриков – уменьшается. Это свидетельствует о различном характере проводимости названных материалов.

Для выяснения характера проводимости полупроводников рассмотрим некоторый объем идеальной кристаллической решетки германия со строго упорядоченным расположением атомов в узлах решетки – элемента IV группы периодической системы элементов Менделеева. На рис. 1.1,

а объемная кристаллическая решетка германия, элементарной геометрической фигурой которой является тетраэдр, представлена в виде плоскостной решетки. В процессе формирования кристалла атомы германия располагаются в узлах кристаллической решетки и связаны с другими атомами посредством четырех валентных электронов. Двойные линии между узлами решетки условно изображают ковалентную связь между каждой парой электронов, принадлежащих двум разным атомам.

Электронная структура (а) и энергетические зоны (б) кристалла беспримесного германия

, (1.2)

где Nn и Np – эффективные плотности состояний соответственно в зоне проводимости и валентной зоне; ЕF – уровень Ферми, под которым понимается такой энергетический уровень, вероятность заполнения которого электроном равна половине; k = 1,38?10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура, К.

Перемножив равенства (1.1) и (1.2) с учетом того, что эффективная масса дырки примерно равна массе электрона, при котором Nn » Np = N, получим

. (1.3)

Поскольку в состоянии термодинамического равновесия концентрация электронов в зоне проводимости беспримесного полупроводника ni равна концентрации дырок в валентной зоне pi , из уравнения (1.3) находим

, (1.4)
.

Следовательно, концентрация носителей заряда тем больше, чем выше температура и чем меньше ширина запрещенной зоны. При этих же условиях (ni= pi) из выражений (1.1) и (1.2) находим

. (1.5)

Таким образом, уровень Ферми в беспримесном полупроводнике при любой температуре расположен посредине запрещенной зоны.

Под действием тепловой энергии электроны в зоне проводимости так же, как и дырки в валентной зоне, совершают хаотическое тепловое движение. При этом возможен процесс захвата электронов зоны проводимости дырками валентной зоны. Такой процесс исчезновения пар электрон-дырка называется рекомбинацией.

Число рекомбинаций пропорционально концентрации носителей заряда.

Если к кристаллу приложить внешнее электрическое поле, то движение электронов и дырок приобретает направленность. Таким образом, при температуре выше абсолютного нуля кристалл приобретает способность проводить электрический ток. Его проводимость тем больше, чем интенсивней процесс генерации пар электрон-дырка и определяется движением обоих видов носителей электронов и дырок. Общую проводимость находят по формуле

, (1.6)

где q_n и q_p– заряд электрона и дырки; m_n и

m_p – подвижность электронов и дырок соответственно.

Такая проводимость называется собственной проводимостью, а беспримесные полупроводники – полупроводниками с собственной проводимостью или полупроводниками типа i (индекс i в формулах 1.4-1.6 характеризует соответствующие величины собственного полупроводника). Собственная проводимость обычно невелика. Причем, как электронная, так и дырочная проводимости обусловлены движением в полупроводнике только электронов. Однако в первом случае движутся электроны, находящиеся на энергетических уровнях зоны проводимости, в направлении, противоположном направлению электрического поля. Во втором случае перемещаются электроны валентной зоны, заполняя вакантные энергетические уровни (дырки), в направлении, противоположном перемещению дырок.

Если в кристалл германия добавить примесь элементов III или V группы таблицы Менделеева, то такой полупроводник называется примесным. Примесные полупроводники обладают значительно большей проводимостью по сравнению с полупроводниками с собственной проводимостью.

При внесении в предварительно очищенный германий примеси пятивалентного элемента (например, мышьяка) атомы примеси замещают в узлах кристаллической решетки атомы германия. При этом четыре валентных электрона атома мышьяка, объединившись с четырьмя электронами соседних атомов германия, налаживают систему ковалентных связей, а пятый электрон оказывается избыточным. Энергетический уровень примеси Е_Д лежит в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. Поэтому уже при комнатной температуре избыточные электроны приобретают энергию, равную очень небольшой энергии их связи с атомами примеси (DЕ_Д = Е_е—Е_Д), и переходят в зону проводимости.

Таким образом, в узлах кристаллической решетки германия, занимаемых атомами примеси, образуются положительно заряженные ионы, а в объеме кристалла перемещаются избыточные электроны, имеющие энергию зоны проводимости.

Если освободившиеся электроны находятся вблизи своих ионов, то микрообъем, в целом, остается электронейтральным. При уходе электронов из микрообъема в последнем образуется положительный объемный заряд. Поскольку DЕ_Д << DЕ, то количество электронов, переходящих под действием тепловой или другого вида энергии в зону проводимости с примесного уровня, значительно превышает количество

электронов, переходящих в зону проводимости из валентной зоны, участвующих в генерации пар электрон-дырка. Следовательно, число электронов в кристалле при внесении пятивалентной примеси превышает число дырок. Такой полупроводник обладает, в основном, электронной проводимостью, или проводимостью n-типа (n-полупроводник), а примесь, способная отдавать электроны, называется донорной. Основными носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны, а неосновными – дырки.

При добавлении в кристалл германия примеси элементов III группы (например, индия) атомы индия замещают в узлах кристаллической решетки атомы германия. Однако в этом случае при комплектовании ковалентных связей одного электрона не хватает, поскольку атомы индия имеют лишь три валентных электрона (рис. 1.1, а). Так как примесный уровень индия Е_а лежит в запрещенной зоне вблизи валентной зоны, то достаточно очень небольшой энергии DЕ_а = DЕ – Е_v << DE (например, за счет тепла окружающей среды), чтобы электроны из верхних уровней валентной зоны переместились на уровень примеси, образовав недостающие связи. В результате в валентной зоне образуются избыточные вакантные энергетические уровни (дырки), а атомы индия превращаются в отрицательные ионы. Следовательно, число дырок в полупроводнике при внесении трехвалентной примеси превышает число электронов. Такой полупроводник обладает дырочной проводимостью или проводимостью типа p (p-полупроводник). Примесь, введение которой обусловливает образование дырок в валентной зоне, называется акцепторной. В полупроводнике типа p основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны.

Примесная проводимость полупроводников – кратко формула и определение для всех типов

4.5

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 240.

4.5

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 240.

Полупроводники – это вещества, имеющие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Особенностью полупроводников является возможность управления проводимостью, которая бывает собственная и примесная. Кратко познакомимся с определением примесной проводимости полупроводников.

Механизм проводимости полупроводника

В кристалле полупроводника каждый атом связан с четырьмя соседними атомами двухэлектронными ковалентными связями. При повышении температуры, в соответствии с формулами термодинамики, некоторые электроны в связях получают такую высокую энергию, что могут покинуть связь, и переместиться в пространство между другими атомами, становясь свободными. Такую проводимость называют электронной.

В связи, которую покинул этот электрон, оказывается «вакантное» место. Такая связь называется дыркой. Поскольку при приближении к атому электрон может продолжить движение по любой из четырех связей – дырка может быть занята другим электроном, при этом дырка образуется в другой связи – переместится в противоположном направлении. Получается, что дырка также может двигаться, перенося заряд. Такую проводимость называют дырочной.

Рис. 1. Электронная и дырочная проводимость полупроводника.

Примесная проводимость

Рассмотренные виды проводимости – это виды собственной проводимости полупроводника. Такая проводимость невелика, поскольку при повышении температуры происходят нарушения связей в кристалле, которые могут необратимо разрушить весь кристалл. Как правило, это происходит на температурах порядка 370-400K.

Для увеличения проводимости полупроводника можно поступить иначе – создать кристаллическую решетку, в которой будут сразу иметься готовые носители.

Для создания кристаллической решетки с большим числом носителей при выращивании кристалла полупроводника в него добавляют специальные вещества-примеси. Поэтому такая проводимость называется примесной.

Кристаллическую решетку с примесной проводимостью можно создать двумя способами.

Донорная проводимость

В четырехвалентном кремнии все электроны участвуют в создании ковалентных связей кристалла. Если некоторые атомы в кристалле будут пятивалентны, один электрон этих атомов не будет участвовать в связях. В результате он будет гораздо слабее связан со своим атомом, его подвижность будет выше даже без повышения температуры.

Примесная проводимость полупроводника, в которой пятивалентные атомы являются источником свободных электронов, называется донорной.

В качестве донорной примеси чаще всего используются пятивалентные либо мышьяк, либо сурьма.

Полупроводники, имеющие донорную примесную проводимость, называются полупроводниками n-типа.

Рис. 2. Донорная примесь полупроводника.

Акцепторная проводимость

Другой вариант примесной проводимости – добавление в кристалл трехвалентных атомов. В этом случае, одна из связей трехвалентного атома будет одноэлектронной. Образуется дырка, которая может заполняться электронами соседних атомов.

Примесная проводимость полупроводника, в которой трехвалентные атомы образуют дырки в кристалле, называется акцепторной.

В качестве акцепторной примеси чаще всего используются трехвалентные индий или галлий.

Полупроводники, имеющие акцепторную примесную проводимость, называются полупроводниками p-типа.

Рис. 3. Акцепторная примесь полупроводника.

Нередко в полупроводник добавляют примеси обоих типов. Общий тип проводимости такого кристалла определяется примесью, концентрация которой выше.

Что мы узнали?

Проводимость полупроводника определяется количеством свободных электронов и дырок (свободных мест). Для повышения проводимости используются примеси. Примесь пятивалентных атомов увеличивает концентрацию свободных электронов и называется донорной (n-типа). Примесь трехвалентных атомов увеличивает концентрацию дырок, и называется акцепторной (p-типа).

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

4.5

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 240.

---

А какая ваша оценка?

Проводимость в полупроводниках | PVEducation

Обзор

1. Полупроводники действуют как изоляторы при низких температурах и как проводники при более высоких температурах.
2. Проводимость возникает при более высокой температуре, потому что электроны, окружающие атомы полупроводника, могут отрываться от их ковалентной связи и свободно перемещаться по решетке
3. Проводящие свойства полупроводников составляют основу для понимания того, как мы можем использовать эти материалы в электрических устройствах.

Структура соединения полупроводника определяет свойства материала полупроводника. Одним из ключевых эффектов являются энергетические уровни, которые могут занимать электроны, и то, как они перемещаются по кристаллической решетке. Электроны в ковалентной связи, образованной между каждым из атомов в структуре решетки, удерживаются на месте этой связью и, следовательно, локализуются в области, окружающей атом. Эти связанные электроны не могут перемещаться или изменять энергию и, следовательно, не считаются «свободными» и не могут участвовать в протекании тока, поглощении или других физических процессах, представляющих интерес в солнечных элементах. Однако только при абсолютном нуле все электроны находятся в таком «застрявшем», связанном устройстве. При повышенных температурах, особенно при температурах, при которых работают солнечные батареи, электроны могут получить достаточно энергии, чтобы покинуть свои связи. Когда это происходит, электроны могут свободно перемещаться по кристаллической решетке и участвовать в проводимости. При комнатной температуре в полупроводнике достаточно свободных электронов, чтобы проводить ток. При абсолютном нуле или близком к нему полупроводник ведет себя как изолятор.

Когда электрон набирает достаточно энергии для участия в проводимости («свободен»), он находится в состоянии с высокой энергией. Когда электрон связан и, следовательно, не может участвовать в проводимости, электрон находится в низкоэнергетическом состоянии. Следовательно, наличие связи между двумя атомами вводит два различных энергетических состояния для электронов. Электрон не может достигать значений энергии, промежуточных между этими двумя уровнями; он либо находится в позиции с низкой энергией в связи, либо набрал достаточно энергии, чтобы вырваться на свободу, и поэтому имеет определенный минимум энергии. Эта минимальная энергия называется «шириной запрещенной зоны» полупроводника. Количество и энергия этих свободных электронов, электронов, участвующих в проводимости, лежат в основе работы электронных устройств.

Пространство, оставленное электронами, позволяет ковалентной связи перемещаться от одного электрона к другому, таким образом создавая положительный заряд, движущийся через кристаллическую решетку. Это пустое пространство обычно называют «дыркой», оно похоже на электрон, но имеет положительный заряд.

Анимация, показывающая образование «свободных» электронов и дырок, когда электрон может вырваться из своей связи.

Наиболее важными параметрами полупроводникового материала для работы солнечных элементов являются:

• ширина запрещенной зоны;
• количество свободных носителей (электронов или дырок), доступных для проводимости; и
• «генерация» и рекомбинация свободных носителей (электронов или дырок) в ответ на свет, падающий на материал.

Более подробная информация об этих свойствах приведена на следующих страницах.

Проводимость в полупроводниках

Поделиться

Поделиться

Поделиться

Поделиться

Поведение полупроводников

Полупроводники ведут себя по-разному в зависимости от температуры: при более низких температурах они действуют как изоляторы, а при более высоких — как проводники. При более высокой температуре возникает проводимость, потому что электроны вокруг атома полупроводника могут разорвать ковалентную связь и свободно перемещаться по решетке. Проводящее свойство полупроводников является основой для понимания того, как эти материалы могут использоваться в различных электрических устройствах. Свойства полупроводникового материала могут определяться структурой связи полупроводника. Основным эффектом являются энергетические уровни, которые могут занимать электроны, и то, как электроны перемещаются по кристаллической решетке. Электроны внутри образованной ковалентной связи между каждым из атомов в структуре решетки удерживаются на месте этой связью, и поэтому они локализуются в области вокруг атома. Связанные электроны не могут двигаться или изменять энергию, поэтому они не считаются свободными и не могут участвовать в протекании тока, поглощении или любых других физических процессах .    Но только при нуле все электроны достигают этого застрявшего соединения. При более высоких температурах электроны могут получить достаточно энергии, чтобы вырваться из своих связей. Если это произойдет, электроны смогут свободно перемещаться по кристаллической решетке и участвовать в проводимости. При нормальной комнатной температуре полупроводник имеет достаточно свободных электронов, чтобы проводить ток. При абсолютном нуле полупроводник действует как изолятор.

Энергетические состояния электронов

Электрон находится в состоянии с высокой энергией, когда он получает достаточно энергии для участия в проводимости, и в состоянии с низкой энергией, когда он связан, и поэтому не может участвовать в проводимости. Таким образом, наличие связи между двумя атомами вводит два различных энергетических состояния электронов. Электрон не может достичь значения энергии между этими двумя уровнями; поскольку он либо находится в положении с низкой энергией в связи, либо набрал достаточно энергии, чтобы разорвать связь, и поэтому имеет определенный минимум энергии.