2. Электропроводность материалов. Понятие электрохимического потенциала (уровня Ферми).

Разрешенная зона − совокупность энергетических уровней, на каждом из которых могут находиться электроны.

Характеризуется тем, что все энергетические уровни электронов при температуре 0 К заполнены электронами.

Верхняя заполненная зона называется валентной.

Запрещенная зона − промежуток между разрешенными зонами.

Характеризуется тем, что в ее пределах нет энергетических уровней, на которых могли бы находиться электроны даже в идеальном кристалле.

Зона проводимости характеризуется наличием электронов, обладающих энергией, которая позволяет им освобождаться от связи с атомами и передвигаться внутри твердого тела.

Исходя из зонной структуры и разделяют материалы на:

− металлы;

− полупроводники;

− диэлектрики.

Применяемые в электронике полупроводники имеют монокристаллическую решётку. Каждый атом кристаллической решётки за счёт ковалентных связей прочно удерживается в узлах кристаллической решётки. В идеальной решётке все электроны связаны со своими атомами, поэтому такая структура не проводит электрический ток. Однако небольшие энергетические воздействия могут привести к отрыву некоторых электронов от своих атомов, делая их способными перемещаться по кристаллической решётке. Такие электроны называются электронами проводимости. Энергетические состояния электронов проводимости образуют зону значений (уровней) энергии, называемую зоной проводимости. Энергетические состояния валентных электронов образуют валентную зону. Между максимальным уровнем энергии валентной зоны W в и минимальным уровнем зоны проводимости W c лежит запрещённая зона. Ширина запрещённой зоны в W c определяет минимальную энергию, необходимую для освобождения валентного электрона, т.е. энергию ионизации атома полупроводника. Ширина запрещённой зоны для большинства полупроводников составляет 0,1 – 3 эВ.

Понятие электрохимического потенциала (уровня Ферми).

Вероятность нахождения свободного электрна в энергитическом состоянии W опредяляется функцией распределения Ферми-Дирака:

в общем случае уровень Ферми характеризует работу, затрачиваемую на перенос частиц, обладающих массой и находящихся в среде, имеющей градиент электрического потенциала и некоторое число этих частиц.

Полупроводники с донорной примесью называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа.

С повышением температуры уровень Ферми смещается к середине запрещённой зоны.В случае полупроводника с акцепторной примесью электроны являются неосновными носителями заряда,дырки – основными носителями, а полупроводник с акцепторной примесью называют дырочным, или полупроводником p-типа.

С повышением температуры уровень Ферми смещается к середине запрещённой зоны.

3. Собственная и примесная электропроводность полупроводниковых материалов. Типы электрических переходов.

Собственная и примесная проводимость полупроводников

1. Особенности полупроводников

Строение полупроводников.В полупроводниках атомы связаны ковалентными (парноэлектронными) связями, которые при низких температурах и освещенности прочны. С ростом же температуры и освещенности эти связи могут разрушаться, образуя свободный электрон и "дырку". Реальными частицами являются лишь электроны (e). Электронная проводимость обусловлена движением свободных электронов. Дырочная проводимость вызвана движением связанных электронов, которые переходят от одного атома к другому, поочерёдно замещая друг друга, что эквивалентно движению “дырок” в противоположном направлении. “Дырке” условно приписывается “+” заряд. В чистых полупроводниках концентрация свободных электронов и “дырок” одинаковы. Электронно-дырочная проводимость – проводимость, вызванная образованием свободных носителей заряда (электронов и “дырок”), образующихся при разрыве ковалентных связей, называется собственной проводимостью.

Примесная электропроводность полупроводниковых материалов.

Примесная проводимость – проводимость, обусловленная образованием свободных носителей заряда при внесении примесей иной валентности (n) Донорная примесь n_{примеси} > n_{полупроводник} Мышьяк в германий n_прим. =5; n_{п/прово-к}=4 

Каждый атом примеси вносит свободный электрон

Полупроводники n – типа с донорной примесью Основные носители заряда электроны. Неосновные носители о – “дырки” Проводимость электронная Акцепторная примесь n_{примеси} < n _{полупроводник}

Индий в германий n_прим. =3; n_{п/прово-к}=4 Каждый атом примеси захватывает  электрон из основного полупроводника, создавая дополнительную дырку.

Электрические переходы в полупроводниковых приборах

Электрическим переходом называется переходный слой между областями твёрдого тела с различными типами или значениями проводимости. Чаще всего используется электрический переход между полупроводниками n- и p-типа, называемый электронно-дырочным переходом, или p-n - переходом. Используются также переходы между областями с одинаковым типом электропроводности,но с различными значениями удельной проводимости (n+-n; p+-p). Знак «+» отмечает область с большей концентрацией примеси.

Широкое применение получили переходы металл-полупроводник. Электрические переходы могут создаваться как на основе полупроводников с одинаковой шириной запрещённой зоны (гомопереходы), так и с различными значениями ширины (гетеропереходы).

Электрические переходы используются практически во всех полупроводниковых приборах. Физические процессы в переходах лежат в основе действия большинства полупроводниковых приборов.

Широко применяются несимметричные p-n-переходы, в которых концентрация примесей в эмиттере значительно больше, чем в другой

области – базе. В симметричных p-n-переходах концентрация акцепторов в p-области равна концентрации доноров в n-области.