Собственная и примесная проводимости полупроводника
Тема 1.1 Физические основы электронной техники.
Поскольку в чистых полупроводниках при температурах отличных от абсолютного нуля под влиянием тепловых фононов постоянно идут процессы генерации и рекомбинации носителей зарядов, то статистически можно считать, что с момента генерации до момента рекомбинации пройдет время, называемое временем жизни носителей заряда. для дырок и для электронов. За это время электрон и дырка пройдут в пространстве кристалла некоторое расстояние, называемое диффузной длиной и . Диффузионная длина и время жизни связаны между собой отношениями:
(1)
где и - коэффициенты и диффузии электронов и дырок. Диффузия электронов и дырок возникает в случае, если в какой-то области пространства кристалла их концентрация превысит среднюю концентрацию этих
носителей заряда по всему кристаллу. Диффузное движение электронов и дырок называется током диффузии.
Если кристаллу полупроводника приложить разность потенциалов, то есть создать электрическое поле напряженностью Е, то хаотическое движение носителей заряда станет более упорядоченным. Электроны и дырки будут двигаться в различных направлениях :электроны к положительному электроду источника ЭДС, а дырки к отрицательному электроду, Движение под воздействием внешнего поля называется дрейфом
Таким образом при подключении чистого полупроводника к источнику ЭДС Е в нем могут наблюдаться ток дрейфа и ток диффузии, которые как слеует из (5) зависят от концентраций n электронов и p дырок, которые в чистых полупроводниках незначительны. Повысить количество носителей зарядов можно путем введения примесей. Примеси бывают акцепторные и донорные. Если в кристаллическую решетку кремния ввести валентные фосфор Р и мышьяк Sb, то пятый валентный электрон оказывается избыточным и не охваченным ковалентными связями. Он легко переходит в межатомное пространство, атом примеси оказывается положительно заряженным ионом, но в целом электронейтральность кристалла не нарушается так как количество положительно заряженных ионов равно количеству свободных электронов. Такой примесный полупроводник имеет ярко выраженную электронную проводимость и называется полупроводником n - типа. Если в кристаллическую решетку кремния вест валентные индий In, алюминий Аl или мышьяк As, то атомы примеси образуют устойчивую электронную оболочку за счет электрона, отобранного у соседнего атома кремния При этом в кристаллической решетке появляются отрицательно заряженный ион примеси и положительно заряженный ион кремния. Электронейтральность кристалла сохраняется, но примесный полупроводник приобретает ярко выраженную дырочную проводимость р - типа.
Преобладающий в примесном полупроводнике тип носителей заряда называется основным, а оставшиеся от генерируемых в чистом полупроводнике носители заряда противоположного знака по отношению к основным называются неосновными носителями заряда.
Если концентрации акцепторных и донорных примесей превысят определенный порог, то разрешенные уровни энергий сильно расцепляются заполняя собой всю запрещенную зону и полупроводник становится подобен металлу. В этом случае он называется вырожденным.