Рухливість

Енергетичні зони

Дірка

Механізм електричної провідності напівпровідників

Тема 39. Домішкова провідність напівпровідників.

Мета:Навести механізми домішкової провідності.

Література: [5], [7] – основна; [1], [6] – додаткова.

Напівпровідники характеризуються як властивостями провідників, так і діелектриків. У напівпровідникових кристалах атоми встановлюють ковалентні зв'язки (тобто, один електрон в кристалі кремнію, як і алмазу, пов'язаний двома атомами), електронам необхідний рівень внутрішньої енергії для вивільнення з атома (1,76 10 ^-19 Дж проти 11,2 10 ^-19 Дж, чим і характеризується відмінність між напівпровідниками і діелектриками). Ця енергія з'являється в них при підвищенні температури (наприклад, при кімнатній температурі рівень енергії теплового руху атомів дорівнює 0,4 10 ^-19Дж), і окремі атоми отримують енергію для відриву електрона від атома. Із зростанням температури число вільних електронів і дірок збільшується, тому в напівпровіднику, не містить домішок, питомий опір зменшується. Умовно прийнято вважати напівпровідниками елементи з енергією зв'язку електронів менший ніж 1,5-2 еВ. Електронно-дірковий механізм провідності проявляється у власних (тобто без домішок) напівпровідників. Він називається власною електричну провідність напівпровідників.

Під час розриву зв'язку між електроном і ядром з'являється вільне місце в електронній оболонці атома. Це обумовлює перехід електрона з іншого атома на атом з вільним місцем. На атом, звідки перейшов електрон, входить інший електрон з іншого атома і т. д. Це обумовлюється ковалентними зв'язками атомів. Таким чином, відбувається переміщення позитивного заряду без переміщення самого атома. Цей умовний позитивний заряд називають діркою.

Зазвичай рухливість дірок у напівпровіднику нижче рухливості електронів.

Між зоною провідності Е _п і валентної зоною Е _в розташована зона заборонених значень енергії електронів Е _з. Різниця Е _{п-Е в} дорівнює ширині забороненої зони Е _з. Зі зростанням ширини Е _з число електронно-діркових пар і провідність власного напівпровідника зменшується, а питомий опір зростає.

Рухливість електронів (верхня крива) і дірок (нижня крива) в кремнії залежно від концентрації атомів домішки

Рухливістю μ називають коефіцієнт пропорційності між дрейфовою швидкістю носіїв струму і величиною прикладеного електричного поля

При цьому, взагалі кажучи, рухливість є тензором :

Рухливість електронів і дірок залежить від їх концентрації в напівпровіднику (див. малюнок). При великій концентрації носіїв заряду, ймовірністьзіткнення між ними виростає, що призводить до зменшення рухливості та провідності.

Розмірність рухливості - см / ( У з).