En semiconductor conductivitate
Semiconductors numite substanțe de clasă (solide), în care este complet ocupat de electroni, banda de valență este separat de banda de conducție a îngustă (de ordinul a 1 eV) bandgap. conductivitatea electrică mai mică decât conductivitatea electrică a metalelor, dar cea mai mare parte a conductivității electrice a dielectricilor.
Se referă la elemente semiconductoare (Si, Ge, As, Se, Te), compuși chimici (oxizi, sulfuri, seleniurile), aliaje de elemente ale diferitelor grupuri.
Caracteristica principală a distinge semiconductori ca o clasă specială de materiale este puternic influențată de temperatura și concentrația de impurități asupra conductivității lor electrice.
Distinge semiconductori proprii și impurități. Conductibilitatea semiconductorilor pure (în care absolut nici impurități) se numește conductivitate intrinsecă.
Pentru semiconductorii intrinseci sunt germaniu și siliciu. Structura moleculara de siliciu este prezentată în Fig. 8.8, în cazul în care:
- miez și coji de electroni interioare;
- vacant gaura cu lipsa de comunicare;
- electroni de valență care formează o legătură covalentă.
În germaniu și siliciu - aceeași rețea cristalină: fiecare atom este înconjurat de patru atomi situate la nodurile unui tetraedru regulat. Învelișul exterior al atomului are patru electroni de valență, astfel încât fiecare atom formează patru legături covalente cu cele mai apropiate patru vecini ai acestuia.
Fig. 8.9 prezintă energia electronilor din structura semiconductor. La T = 0 toate nivelurile benzii de valență sunt ocupate, iar nivelul Fermi se află în banda interzisă care separă banda de conducție. În acest caz, electronii de conducție nu sunt prezente. Pentru semiconductori, caracterizat prin aceea că lățimea benzii interzise este de până la 10 kT. La temperatura camerei ²razmytost² Fermi-Dirac înlocuirile funcției. și probabilitatea de tranziție a electronilor din banda de valență la banda de conducție nu este egal cu 0.
Astfel, într-un semiconductor (radical care le distinge de dielectric) este impactul energetic relativ mici cauzate de încălzire sau iradiere pot provoca unele separarea electronilor din atomii lor. Acesta este mecanismul de educație media în semiconductori pure.
La temperatura T = 0 K, iar lipsa altor factori externi se poart semiconductor intrinsec ca izolatori. Pe măsură ce temperatura crește, electronii din nivelele superioare ale benzii de valență poate trece la nivelele inferioare ale benzii de conducție. Atunci când un câmp electric, electronii se vor amesteca în domeniu. Într-un semiconductor, apare curent electric. Conductibilitatea semiconductori intrinseci datorate electronilor, numită conductivitate de electroni sau n conductoare - tip.
Datorită transferului de căldură de electroni în banda de valență apar stare vacantă, cunoscut sub numele de găuri. Într-un câmp electric extern pe electronii eliberați dintr-un loc, o gaura poate muta un electron dintr-un strat învecinat, iar gaura va apărea în locul pe care a lăsat un electron, etc. Un astfel de proces de umplere găuri echivalente cu găuri cu electroni care se deplasează în mișcarea electronilor opusă direcției. De fapt, nu se misca gaura. Conductibilitatea semiconductori intrinseci, datorită găurilor (cvasiparticulelor) se numește conductivitatea găurii sau conductanta p - tip.
Astfel, în semiconductorii intrinseci există două mecanisme de conducere: electroni și gaura. Numărul de electroni în banda de conducție este egal cu numărul de găuri în banda de valență. Prin urmare, în cazul în care concentrația electronilor de conducție și găurile este respectiv ne și np. apoi ne = np.
Conductivitatea de semiconductori intrinseci este mereu excitat, și anume, Apare doar sub acțiunea factorilor externi (creșterea temperaturii, iradierea câmpurilor electrice puternice, etc.).
Într-un semiconductor intrinsec, nivelul Fermi este în mijlocul benzii. În tranziția unui electron de nivel superior banda de valență la nivelul inferior al benzii de conducție a petrecut energia de activare egală cu diferența banda E, ceea ce duce la găuri în banda de valență. Energia consumată în pereche aparență de purtători ar trebui să fie împărțită în două părți egale. Prin urmare, punctul de referință pentru fiecare dintre aceste procese trebuie să fie în mijlocul bandgap. Energia Fermi în semiconductorul intrinsec este energia care excită electroni și găuri are loc.
În stare solidă fizică se dovedește că concentrația de electroni în banda de conducție
in care W2 - energia corespunzătoare în partea inferioară a benzii de conducție;
WF - energie Fermi;
T - temperatura termodinamică;
C1 - constant în funcție de temperatura și masa efectivă de conductivitate a electronului.
Notă. Masa efectivă - cantitate cu o dimensiune de masă. Se caracterizează proprietățile dinamice ale electronilor de conducție și găuri. Ia în considerare efectele asupra electronilor de conducție, nu numai câmpul extern, dar, de asemenea, domeniul intern de cristal periodice, ia în considerare mișcarea lor în domeniul extern ca mișcarea particulelor libere fără a ține seama de interacțiunea electronilor de conducție cu zăbrele.
Concentrația de găuri în banda de valență
unde C2 - constantă în funcție de temperatura și masa efectivă a găurilor;
W1 - energia corespunzătoare în partea de sus a benzii de valență. Energia de excitare în acest caz, se măsoară în jos de la nivelul Fermi, astfel încât valorile în factorul exponențial diferit.
Conform că ne = np. avem
În cazul în care masele efective a electronilor și găurile sunt egale, apoi la această temperatură C1 = C2, și în consecință
Astfel, nivelul Fermi în semiconductor intrinsec este cu adevărat situat în mijlocul a diferenței de bandă.
Deoarece semiconductori intrinseci DW >> Kt, distribuția Fermi-Dirac este
unde
m - potențialul chimic.
În aceste condiții, distribuția Fermi-Dirac intră în distribuția Maxwell-Boltzmann:
Astfel, avem:
Înlocuirea, în formula (8.23) (W - WF) = DW / 2, obținem
Deoarece numărul de electroni care trec în banda de conducție, și, prin urmare, numărul de găuri formate în mod proporțional
în cazul în care du-te - o caracteristică constantă a semiconductorilor.
Semiconductorii rezistivitate electrică
Creșterea conductivitatea semiconductorilor cu creșterea temperaturii, deoarece temperatura crește în semiconductori crește numărul de electroni din cauza excitație termice în banda de conducție și să participe la conducția.
În semiconductori, în plus față de procesul de generare de electroni și găuri, pot procesa recombinarea lor. Electronii se pot deplasa din banda de conducție la banda de valență, oferind un exces de energie latice emitand cuante de radiație electromagnetică. Ca rezultat, pentru fiecare temperatură, o concentrație de echilibru bine definit de electroni și găuri, în funcție de temperatura.
Rata de recombinare, și anume numărul de dispariție pe unitatea de timp de perechi electron-gol, determinate de proprietățile semiconductoare; În plus, este proporțională cu concentrația de electroni și goluri, din moment ce mai mare numărul de purtători, cu atât mai probabil lor recombinarea terminații reuniune. Astfel, rata de recombinare
Cu toate acestea, numărul de găuri în semiconductor intrinsec ideală de cristal cu zăbrele egal cu numărul de electroni liberi. prin urmare
în care - coeficientul de recombinare determinat de proprietățile semiconductoare.
Rata de generare (numărul eliberat pe unitate de timp a perechilor electron-gol) depinde de temperatura semiconductorului și lățimea benzii sale interzise.
echilibru dinamic există în starea de echilibru: rata de generare este egală cu rata de recombinare, prin urmare,
Conform formulei (8.29) poate determina numărul de electroni liberi în semiconductor. De exemplu, la temperatura camerei, numărul de electroni liberi din germaniu. în siliciu -.