10/12 Полупроводникови свойства на материалите

7/18/2019 10/12 Полупроводникови свойства на материалите

http://slidepdf.com/reader/full/1012--56d57f0f45d32 1/25

Въпроси 10, 11, 12 Въпроси 10, 11, 12

ПолупроводниковиПолупроводникови

свойства насвойства на

материалитематериалите

Материалознание



Съдържание

Ефект на Хол

Собствена и примесна проводимост

Примесни полупроводници

Разпределение на Ферми

Собствени полупроводници



1.1. сновни сво!ства

1. Собствени полупроводници

Съгласно зонната теория свойствата на ПП зависят от енергйното им

състояние и могат да се проявяват като проводници и диелектрици.

Полупроводниците (ПП) имат тясна забранена зона ∆W < 3 e.

Собствени ПП са елементите от ! валентна група на "енделеевата таблица

# силиций ($%) и германий (&e).

Собствени ПП са кристали' които нямат примеси и деекти в

кристалната реетка.

ПП имат кристална структура' изградена с ковалентна *ими+ескавръзка # ковалентни кристали .

,истотата на ПП се измерва с брой на примесните атоми на единица обем.





Т - /

W C

W B

W

∆W

01

С1

11

1онна диаграма

0 +истия ПП при температура 2 - / няма свободни

токоносители.





Т /

W C

W B

W


4

−

4

−

"" #упка #упка$$

ЕлектронЕлектрон

%енераци&%енераци&

5огато енергията на валентния електрон е достатъ+на' за да преодолеезабранената зона той става свободен електрон.

Електронна "дупка" # некомпенсиран поло6ителен заряд' полу+ен при напускане

на ковалентната връзка от електрона' +ийто носител е ядрото на атома.

Генерация # полу+аване на двойка токоносители.





W C

W B

W


4

−

Рекомбинаци&Рекомбинаци&

екомбинация # заемане на 7дупка7 от свободен електрон.

8свободената енергия се излъ+ва като онон (топлина) или отон (светлина).



1.'. Разпределение на Ферми и бро! на токоносителите


0ероятността за полу+аване на

свободни електрони се описва от

разпределението на 9ерми:

( )

−+

=

kT W W

W P

F e;<=

=

'>

ЕлектрониЕлектрони

=

W C

W Fi

W B

W

∆W

P (W )

#упки #упки

?азпределението на 9ерми е

симетри+но спрямо средата на

забранената зона' което озна+ава +еброят на свободните електрони ni е

равен на броят на дупките pi или

ni - pi



1.'. Разпределение на Ферми и бро! на токоносителите


∆−== kT

W N N pn C Bi i

@e;<

5онцентрацията на токоносителите при собствените ПП е:

където N C е плътност на енергийните състояния в свободната зонаA N B #

плътност на енергийните състояния във валентната зона.



1.(. Собствена проводимост


4



1.(. Собствена проводимост


− 4)алентен)алентен

електронелектрон

*+проводимост*+проводимост # насо+ено дви6ение насвободни електрони.

,+проводимост,+проводимост # насо+ено дви6ение на

дупки.

Bасо+еното дви6ение на дупките в кристала

изи+ески се осъCествява +рез дви6ение на

валентните електрони от съседни ковалентни

връзки.

( ) pni pi ni i ene pen µ+µ=µ+µ=σкъдето µn е подви6ност на електроните' µ p # подви6ност на дупките.

Проводимост' полу+ена от светлинно облъ+ване' се нари+а фотопроводимост.



'.1. сновни сво!ства и видове

'. Примесни полупроводници

Примесни ПП # материали със зна+ително коли+ество строго

контролирани примеси (като коли+ество и +истота).

0 тя* се проявя примесна проводимост.

Примесите се разделят на донорни и акцепторни в зависимост от

валенността на примесния елемент.



'.1.1. #онорни полупроводници


Dонорни примеси # увели+ават електроните в свободната зона.

1а ПП от E валентност # елементи от валентност (F' GH и др.).

Т - /

−

,,--


W C

W B

∆W

! ! −



'.1.1. #онорни полупроводници


∆W D


W C

W B

∆W

W D

−

Т /

−

∆W D # енергия за

йонизация на

донорните примеси

2ъй като ∆W D < ∆W ' то пове+ето свободни електрони са от донорните

нива' а не от нивата във валентната зона.

## $ $ ⇒ **+тип полупроводници+тип полупроводници



'.1.'. /кцепторни полупроводници


1а да мо6е ПП от E валентност да се превърне в акцепторен' то примесниятелемент трябва да е от !!! валентност (I' GJ и др.).

Т - /

00((


W C

W B

∆W

! ! % %



'.1.'. /кцепторни полупроводници



W C

W B

∆W

! ! % %

∆W A

Т /

4

− 4

−

2ъй като ∆W A < ∆W ' то пове+ето дупки са от йонизиране на акцепторните примеси.

$ $ ## ⇒ Р+тип полупроводнициР+тип полупроводници

∆W A # енергия за йонизация на акцепторните примеси



'.'. Разпределение на Ферми


2оконосителите в примесните ПП са от собствен и от примесен тип'

при което вероятността за генериране на примесни токоносители е

поKголяма от тази за полу+аване собствени.

Поради това разпределението на 9ерми не е симетри+но спрямо

средата на забранената зона (W F не се намира в средата й).





$ & # $ & # ## $ $

'> =

W C

! ! ' ' ( (

W B

! ! ' '

W D

LKтип

##

W

P (W )

'> =

W C

! ! ' ' ( (

W B

! ! ' '

W А

FKтип

$ $

W

P (W )





0 зависимост от концентрацията им в примесните ПП има основни и неосновнитоконосители.

0 донорните полупроводници донорните полупроводници основните токоносители са електроните' а

неосновните са дупките.

5онцентрацията на електроните е:

∆−≈

kT W N N n D

C D@

e;<

където N D е концентрация на донорните примеси.

0 акцепторнитеакцепторните полупроводници полупроводници основните токоносители са дупките' а

неосновните са електроните.

5онцентрацията на дупките е:

∆−≈

kT

W N N p A

C A@

e;<

където N А е концентрация на акцепторните примеси.



'.(. емпературна зависимост на примесната проводимост


pn pene µ+µ=σПримесна проводимост

nneµ≈σ1а донорен полупроводник n p ⇒




2ависимост на # от температурата

∆−≈

kT

W N N n D

C D@

e;<

( ) ( ) T k

W N N n DC D

=

@JMJM ∆

−=

( )nJM

T

=

k

W D@

∆

Примесна

проводимост

NзтоCени

примеси

Собствена


∆−=

kT

W N N n C Bi

@e;<

k

W

@

∆

( ) ( )T k

W N N n C Bi

=

@JMJM

∆−=




2ависимост на µ от температурата

ПримеснаПримесна проводимостпроводимост # токоносителите се генерират за сметка найонизация на примесите

)*то+ени примеси )*то+ени примеси # вси+ки примеси са се йонизирали и n не се променя

Собствена проводимостСобствена проводимост # генериране на собствени токоносители

O увели+аване на температурата µ намалява' но по степенен закон.

Следователно нейното влияние мо6е да се наблPдава само в областта на

изтоCени примеси.




( )σJM

T

=

Примесна


NзтоCени

примеси

Собствена


ПП имат αρ < .

2ависимост на σ от температурата



(. предел&не типа на примесната проводимост

(.1. Метод на 3оре4ата сонда

4 K

Q игла

Bагревател

Rалванометър

"етален

електрод

L ПП

−

55

,рез метода на гореCата сонда мо6е

да се определи само типа на

проводимостта.




(.'. Ефект на Хол

−

− − − −

− − − −

5 5 5 5 5 55 5 5 5 5 5

- -

. . / / . .

BY # индукция на магнитното поле по остта Y

J X # плътност на тока по остта X




(.'. Ефект на Хол

Под влияние на магнитното поле' дви6еCите се електрони се отклоняват къмзадната страна на ПП образец.

2ака възниква напре+но е. д. н.' наре+ено поле на Sол с интензитет E

X Y

n

E BE =µ

X Y J B! E =

3ое4ициентът на 5ол 3ое4ициентът на 5ол ! :

ne!

==1а LKтип

pe!

==1а ?Kтип

,рез еектът на Sол мо6е да се определи типа на проводимостта'

концентрацията и подви6ността на токоносителите.

10/12 Полупроводникови свойства на материалите

Documents