Концентрация носителей заряда в полупроводнике

Разное
Концентрация носителей заряда в полупроводнике — это ключевой параметр, определяющий его электропроводность. Материал объясняет, как электроны и дырки появляются при повышении температуры, нарушая состояние идеального диэлектрика при абсолютном нуле. Вы узнаете, от чего зависит равновесная концентрация и как она связана с шириной запрещенной зоны. Эти знания — фундамент для понимания работы диодов, транзисторов и всей современной электроники. Используйте это объяснение для создания наглядных и глубоких уроков физики, чтобы ученики усвоили принципы, лежащие в основе цифрового мира.
Гылыджова Айджемал Ашыровна
Гылыджова Айджемал Ашыровна
Содержимое публикации

Концентрация носителей заряда в полупроводнике

В полупроводниках существуют два вида носителей заряда – электроны и дырки. В структуре нет свободных носителей заряда – все электроны связаны с атомами и не могут перемещаться по кристаллу, вещество не проводит электрический ток, т.е. является диэлектриком. Но такое положение существует только при абсолютном нуле температуры. С ростом температуры возрастает энергия колебательных движений атомов, и некоторая часть электронов приобретает энергию, достаточную для отрыва от атома. Оторвавшийся электрон может свободно перемещаться по кристаллической решетке. В том месте, откуда выбит электрон, образуется некомпенсированный положительный заряд, равный заряду электрона. Это и есть дырка. Она также может свободно перемещаться по кристаллу за счет перескока валентного электрона с соседних атомов, в результате дырка оказывается у соседнего атома и далее этот процесс повторяется. В результате образуется электронно-дырочная пара, где дырка обозначена мелким светлым кружком, электрон – темным. Этот процесс принято описывать как результат столкновения электрона с фононом. Фонон – квант энергии колебательных движений атомов кристаллической решетки. При столкновении фонон исчезает, его энергия передается электрону.

Процесс образования электронно-дырочных пар под действием теплового движения называется термогенерацией. Наряду с термогенерацией идет и обратный процесс – рекомбинация, - когда свободный электрон соединяется с дыркой и восстанавливается валентная связь, пара носителей исчезает.

Собственные и примесные полупроводники.

Собственный полупроводник – беспримесный и бездефектный полупроводник с идеальной кристаллической решеткой. В собственном полупроводнике электроны и дырки всегда образуются парами и их концентрации и равны:

ni=pi

Здесь nиp - концентрация электронов и дырок соответственно, индексом “i” обозначают свойство, относящееся к собственному полупроводнику.

Примесные полупроводники содержат атомы посторонних элементов, встроенные в кристаллическую решетку. Примеси специально вводят в полупроводник для изменения его электрофизических свойств (этот процесс называется легированием). В примесных полупроводникахконцентрации электронов и дырок могут отличаться на много порядков.

Примеси бывают донорные, акцепторные и нейтральные.

Для четырех валентных элементарных полупроводников, таких как германий и кремний, донорными примесями являются атомы пятивалентных элементов, таких как фосфор P, мышьякAs, сурьма Sb, акцепторными – атомы трехвалентных элементов: бор B, индийIn, галлий Ga, алюминий Al.

Встраиваясь в решетку, атомы пяти валентных элементов образуют четыре связи с ближайшими соседями, пятый электрон оказывается лишним. Он не участвует в образовании химической связи и слабо связан с атомом примеси, легко отрывается от него и становится свободным. Например, PP++e- В узле решетки остается положительно заряженный ион примеси. Он жестко закреплен в решетке и не может перемещаться по кристаллу. В полупроводнике с донорной примесью основными носителями заряда являются электроны. Его называют полупроводником с электронной проводимостью или полупроводникомn-типа.

При введении трех валентного атома у него не хватает одного электрона для образования четырех связей. Недостающий электрон может быть захвачен у соседнего атома, у которого образуется дырка. Атом примеси превращается в отрицательный ион, например, InIn-+h+(h+ -дырка). В полупроводнике с акцепторной примесью основными носителями заряда являются дырки и его называют полупроводником с дырочной проводимостью или полупроводником p-типа.

Нейтральные примеси не изменяют концентрацию носителей заряда.

Равновесная концентрация носителей

Вероятность заполнения энергетического уровня определяется статистической функцией Ферми-Дирака:

,(1.1)

гдеk – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

Концентрацию электронов в зоне проводимости можно найти, проинтегрировав удвоенное произведение вероятности заполнения на плотность энергетических уровней (каждый уровень может содержать два электрона):

(1.2)

Для невырожденных полупроводников экспонента значительно больше единицы и распределение Ферми-Дирака можно заменить распределением Больцмана:

(1.3)

Вследствие быстрого спада экспоненты с увеличением W, основой вклад в интеграл (1.2) вносят уровни находящиеся вблизи дна зоны проводимости, где . Интегрирование с учетом (3) приводит к выражению:

(1.4)

гдеNc – эффективная плотность состояний (энергетических уровней) в зоне проводимости (плотность разрешенных квантовых состояний в энергетической полосе шириной kT у границы зоны).

Аналогично, концентрация дырок определяется выражением

,(1.5)

гдеNv – эффективная плотность состояний в валентной зоне.

Отсюда следует, что произведение концентраций электронов и дырок для данного невырожденного полупроводника и данной температуры не зависит от вида и степени легирования:

,(1.6)

гдеW=WcWv – ширина запрещенной зоны. Для собственной концентрации получаем

(1.7)

Концентрация носителей в собственном полупроводнике сильно зависит от ширины запрещенной зоны и температуры. В таблице 1 приведены данные для наиболее распространенных полупроводников при комнатной температуре (T=300K).

Таблица 1.

полупроводник

W,эВ

ni,см-3

Ge

0,67

2,51013

Si

1,11

21010

GaAs

1,40

1,5106

Формулу (1.6) можно записать в виде

np=ni2(1.8)

В объеме полупроводника выполняется условие электронейтральности, которое для примесных полупроводников можно записать в виде:

nn=Nd++pnиpp=Na-+np

для полупроводников n- и p-типа, соответственно. Здесь Nd+ и Na- - концентрации ионизированных донорных и акцепторных примесей, nnиpn - концентрация электронов и дырок в n-области, ppиnp - концентрация дырок и электронов вp-области

Донорные и акцепторные примеси образуют мелкие уровни и отстоят от соответствующих разрешенных зон на величину Wd, Wа0,01 эВ, поэтому при комнатной температуре практически все примесные атомы ионизированы. Т.к., как правило, Nd>>ni и Na>>ni, концентрация основных носителей практически равна концентрации легирующей примеси:

nnNd и ppNa(1.9)

Концентрация неосновных носителей согласно (1.8) на много порядков меньше:

pn=ni2/Nd<<niи np=ni2/Na<<ni(1.10)

Время жизни равновесных носителей.

Установившаяся концентрация носителей заряда является результатом динамического равновесия между процессами генерации и рекомбинации. Эти процессы можно схематически представить в виде:

,

где (eh) отображает связанное состояние электрона, e- и h+ - свободный электрон и дырка.

Скорость термогенерации зависит от типа полупроводника и температуры:

vген=g0(T)

Скорость рекомбинации пропорциональна произведению концентраций носителей:

vрек=r0np

В равновесии vген=vрек, отсюда

np=ni2=g0 /r0

Среднее время жизни равновесных носителей равно отношению концентрации этих носителей к скорости рекомбинации. Таким образом,

n=n/vрек=1/(r0p), p=p/vрек=1/(r0n)

Отсюда следует, что время жизни неосновных носителей на несколько порядков меньше времени жизни основных. Например,

(p)n=1/(r0Nd)<< (n)n=1/(r0pn)=Nd/(r0 ni2)

Неравновесная концентрация носителей.

Неравновесная концентрация носителей в полупроводнике может быть создана при различных энергетических воздействиях (облучение светом, импульсный нагрев, инжекция из соседних областей и др.). Неравновесные концентрации можно записать в виде

n=n0+n,

p=p0+p,

где nиp – отклонение концентраций от равновесных значений n0 и p0.

Объем полупроводника сохраняет электронейтральность, поэтому всегда

n=p

После прекращения воздействия избыточные носители рекомбинируют, и концентрации возвращаются к исходным значениям. Скорость рекомбинации пропорциональна отклонению:

, и (1.11)

где - время жизни неравновесных носителей, p(0) – начальное отклонение.

Когда приращение концентрации значительно меньше концентрации основных носителей, значение  близко к времени жизни неосновных носителей.

4


Комментировать
Свидетельство участника экспертной комиссии
Оставляйте комментарии к работам коллег и получите документ бесплатно!
Подробнее
Также Вас может заинтересовать
Физика
Презентации по физике для 10 класса «Презентация «Электростатические приборы»»
Физика
Конспект занятия по физике для 10 класса «2 закон Ньютона»
Физика
Уроки по физике для 7 класса «Плавание тел»
Комментарии
Добавить
публикацию
После добавления публикации на сайт, в личном кабинете вы сможете скачать бесплатно свидетельство и справку о публикации в СМИ.
Cвидетельство о публикации сразу
Получите свидетельство бесплатно сразу после добавления публикации.
Подробнее
Свидетельство за распространение педагогического опыта
Опубликует не менее 15 материалов и скачайте бесплатно.
Подробнее
Рецензия на методическую разработку
Опубликуйте материал и скачайте рецензию бесплатно.
Подробнее
Свидетельство участника экспертной комиссии
Стать экспертом и скачать свидетельство бесплатно.
Подробнее
Помощь