Электрический ток в полупроводниках

Основные носители заряда в полупроводнике с акцепторной примесью — дырки, а неосновные — электроны. Основными носителями тока в таких полупроводниках являются электроны, возникает электронная проводимость (проводимость n -типа).

Атом другого химического элемента в чистой кристаллической решётке (например, атом фосфора, бора и т. д. в кристалле кремния) называется примесью. В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон в кристалл (в вышеприведённом примере – фосфор) или захватывает его (бор), примесные атомы называют донорными или акцепторными.

На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Этот процесс обуславливается ковалентными связями атомов. При большой концентрации носителей заряда, вероятность столкновения между ними вырастает, что приводит к уменьшению подвижности и проводимости. Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью.

Электрический ток в полупроводниках

В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам.

2. Полупроводники и p-n переходы

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Полупроводниковый диод состоит из двух типов полупроводников — дырочного и электронного.

Вследствие этого возникает электрическое поле между двумя областями, что устанавливает предел деления полупроводников — так называемый p-n переход. Таким образом, в транзисторе есть две области p-n перехода. Прежде всего, следует сказать, что физические свойства полупроводников наиболее изучены по сравнению с металлами и диэлектриками. Объёмные свойства полупроводника могут сильно зависеть от наличия дефектов в кристаллической структуре.

2.2. Электронно-дырочный переход

Легирующие примеси вводят для управления величиной и типом проводимости полупроводника. Для получения монокристаллов полупроводников используют различные методы физического и химического осаждения. Наиболее прецизионный и дорогой инструмент в руках технологов для роста монокристаллических плёнок — установки молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющей выращивать кристалл с точностью до монослоя.

Для полупроводников, которые зачастую применяются в электронике (кремний, германий, арсенид галлия) она лежит в инфракрасной области спектра. Дополнительные ограничения на поглощение света полупроводников накладывают правила отбора, в частности закон сохранения импульса. При частотах, близких к фундаментальному краю поглощения, это возможно только для прямозонных полупроводников.

Граничная частота прямых переходов кремния больше 3 эВ, то есть лежит в ультрафиолетовой области спектра. Экситонные зоны расположены в полупроводнике несколько ниже дна зоны проводимости благодаря энергии связи экситона.

Аналогичным образом примеси, акцепторы или доноры, создают акцепторные или донорные уровни, лежащие в запрещённой зоне. Они значительно модифицируют спектр поглощения легированного полупроводника. Полупроводниковые материалы из двух элементов называют бинарными, и так же, как это принято в химии, имеют наименование того компонента, металлические свойства которого выражены слабее.

Особыми свойствами, отличающими их как от металлов, так и от изоляторов, обладают полупроводники. При низких температурах их электрическое сопротивление весьма велико и в этих условиях они проявляют свойства изоляторов. Таким образом, электрическая проводимость полупроводника, содержащего донорную примесь, будет электронной (отрицательной). Такие полупроводники относят к /г-типу, илн к негативным (от лат. negativus — отрицательный).

Механизмы рассеяния и подвижность носителей заряда в полупроводниках

Электрическая проводимость полупроводников, фотоэлектрические, термоэлектрические и другие свойств.5 сильно зависят от типа и разупо-рядоченности решетки.

2.3. Переход и диод Шоттки: получение и включения в прямом и обратном направлении

Эти две зоны в диэлектриках и полупроводниках разделены запрещенной зоной, т. е. зоной, в которой не может находиться ни один электрон. В проводниках (металлах) зона проводимости и валентная зона перекрываются, поэтому при температуре абсолютного нуля имеется достаточно большое количество электронов проводимости. При увеличении температуры часть электронов приобретает достаточную энергию, чтобы преодолеть запрещенную зону и перейти на более высокие энергетические уровни — в зону проводимости.

https://youtu.be/y7ThLmCsqIA

Механизмы рекомбинации в полупроводниках

Каждый атом германия связан соответственно с четырьмя соседними атомами; эти связи условно показаны в виде двух близко расположенных друг к другу черточек. Дырка может быть представлена как положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Этот процесс равносилен перемещению положительного заряда в кристалле.

С повышением температуры начинается ионизация электронов из валентной зоны в зону проводимости; при этом проявляется начало так называемой собственной проводимости. Температура, при которой начинается собственная проводимость, зависит от ширины запрещенной зоны данного полупроводника, количества и энергии ионизации примесей.

Оптические явления в полупроводниках

На основе различных полупроводниковых материалов разработано и создано огромное количество разнообразных полупроводниковых приборов. В металлах валентная зона заполнена полностью или перекрывается с зоной проводимости. Деление неметаллических веществ на полупроводники и изоляторы (диэлектрики) является чисто условным. Ранее к изоляторам относили вещества с величиной запрещенной зоны Eg >2-3 эВ. Однако многие из таких кристаллов являются типичными полупроводниками.

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниках и диэлектриках зона проводимости отделена от валентной зоны запрещенной зоной, и не содержит носителей. Подвижность электронов и дырок зависит от их концентрации в полупроводнике (см. рисунок).