Semiconductori - studopediya

1. Semiconductors - o substanță cristalină, a cărei bandă de valență este complet umplut cu electroni, iar decalajul bandă în comparație cu zonele dielectrice nu sunt mari și este de aproximativ Eg »1 eV. Magnitudinea conductibilității electrice la T> 0 K semiconductori sunt intermediare intre metale si izolatoare.

2. Sobstvennyepoluprovodniki - un semiconductori chimic pure. Acestea includ anumite elemente chimic pure (siliciu Si, Ge germaniu, seleniu Se, telur Te) și mulți compuși chimici (GaAs arseniură de galiu, indiu, InAs arseniură InSb antimonid, indiu, Karbid Kremniya SiC, etc.).

La T = 0 K bandă intrinsecă valență din materiale semiconductoare este complet personal (Fig.109 stânga), banda de conducție este situată deasupra benzii de valență în zona Ex. Acesta este gol. Prin urmare, la T = 0 K semiconductor intrinsec ca izolator are de la zero conductivitate.

Când încălzirea se produce excitație termică a electronilor de valență bandă. Unii dintre ei capătă suficientă energie pentru a depăși decalajul de banda si trecerea la banda de conducție (Fig.109 dreapta). Ca urmare, banda de conducție de electroni liberi apar. și în banda de valență - nivelurile gratuite - gaura. la care electronii pot trece acest domeniu. Dacă un astfel de cristal pentru a aplica o tensiune electrică ia naștere în interiorul acestuia curent electric, care este compus din curentul de electroni în banda de conducție și curentul gaura din banda de valență.

mecanism de conducere gaură constă în aceea că prezența găuri (vacante) de la oricare dintre electronii de legătură la distanțe apropiate se pot deplasa în gaura de locație. Aceasta gaura dispare, dar apare în altă parte. Dacă există în cristal un câmp electric de la o sursă externă, astfel de gaură poziții cu sarcini pozitive se deplaseze în direcția câmpului. Astfel, există două semiconductori diferite proces de conductivitate. Electronic. realizată prin mișcarea electronilor din banda de conducție și gaura. datorită mișcării de electroni în banda de valență.

Gaura Teoria stare solidă interpretată ca o cvasi-particulă cu o sarcină pozitivă + e și masa efectivă detectată și conductivitate gaura - o deviere direcționată a particulelor - găuri. În echilibru termic, electronii tind să ocupe cele mai mici niveluri de energie, astfel încât găurile sunt pe tavanul benzii de valență, în cazul în care viteza lor este zero. Gaura are o masă efectivă pozitivă este numeric egală cu masa efectivă negativă a unui electron în banda de valență. În afară de tranziții de electroni de legat (de valență) există în starea de tranziție inverse libere la care electronii de conducție sunt prinse într-una dintre legăturile de locuri de electroni vacante. Acest proces este numit recombinare de electroni și găuri. In starea de echilibru este stabilit, această concentrație de electroni și goluri, prin numărul de directă și inversă tranziții aceeași. Nivelul Fermi în semiconductor pur este de aproximativ în mijlocul benzii.

3. semiconductori impurități. Ghiduri orice puritate conțin întotdeauna atomi de impuritate care creează propriile niveluri așa-numitele impurități. Aceste straturi pot fi aranjate atât în ​​rezoluția și în zonele interzise la distanțe diferite de banda de valență și partea inferioară a benzii de conducție. impuritate este adesea introdus în mod specific pentru a face proprietățile semiconductoare necesare. Există două tipuri de conducție impurități: donor și acceptor. Să le examinăm.

4. impurității donator. Să Ge tetravalent atomi de germaniu cristal introdus pentavalent arsenic As. Ca urmare, o parte din atomii germaniului sunt înlocuiți cu atomi de arsenic. In fiecare din cristal germaniu pur atom Ge este înconjurat de patru apropiați vecini, cu fiecare vecin atom Ge colectivizată conform uneia dintre cele patru electroni de valență. În cazul în care, în loc de germaniu atom de Ge este un atom de arsenic pentavalent Ca, de asemenea, el socializeaza cu patru vecini patru electroni de valență.

Al cincilea coajă de valență de electroni de arsenic nu au nici un loc în acest plic, și el este forțat să se mute la un nivel mai la distanță (Fig.110). În acest caz, între el și atomii de arsenic sunt ușor nori de electroni polarizabil de legături de valență. Cu condiția ca aceste nori dielectric constant de germaniu e = 16. Prin urmare, atracția electron arsenic ion atenuat ori e, iar distanța față de atomul Așa cum este crescută.

La distanțe mari de ioni câmp arsenic coincide în mod substanțial cu domeniul punctului de încărcare + e. ecuația Schrödinger pentru un arsenic independent de electroni arata la fel ca și pentru un electron într-un atom de hidrogen, cu deosebirea că în loc de greutatea reală a masei efective a electronilor include în banda de conducție. Pentru energia electronilor cu ioni Ca + următoarea expresie :. (15.1)

Masa de electroni eficientă în Germania Teff Teff = 0,22te. Când e = 16, obținem E = 0,01 eV. Dacă o astfel de energie raport de electroni, se desprinde din atomul Ca și de a dobândi capacitatea de a se deplasa liber în rețeaua de germaniu Ge, devenind un electron de conducție. În această bandă limbă de model poate fi interpretat astfel încât nivelul de impurități arsenic sunt situate în partea de jos a benzii de conducție, separat de acesta printr-o distanță E = 0,01 eV. Atunci când se raportează electroni de energie din aceste impurități sunt transferate în banda de conducție (Fig.111). Formată în această sarcină pozitivă localizată la nivelul atomilor de arsenic staționare și conductivitate nu sunt implicate.

Impuritățile, care sunt o sursă de electroni de conducție sunt numite donator. și nivelurile lor de donatori urovni- de energie. Semiconductors care conțin impurități donoare, numite semiconductori electronice sau n-tip.

5. impuritate acceptor. Să presupunem că într-un indiu trivalentă tetravalent Ge atomi de cristal germaniului introdus în (ris.112). Pentru a forma legătura cu cele mai apropiate patru vecini din atomul de indiu lipsește un electron. Ca rezultat, sistemul de valență vacant care poate fi ocupat de un electron de la cel mai apropiat orice legătură de valență. Când electroni de plecare de la conexiunea există o gaură pozitivă. atom Indiu atașându-se la un electron suplimentar este convertit într-un ion încărcat negativ, o gaură este formată în domeniul ionilor și a atras la acesta. La T = 0 K, o gaură este reținută în vecinătatea atomului de impuritate.

Energia de legare a găurilor cu atomul de impuritate este mic și E „0.01 eV. Când cristalul este încălzit, gaura devine această energie părăsește atomii de indiu și devine liber. În diagrama energetică (ris.113) nivelurile neumplute atomii de indiu sunt aranjate direct la banda de valență în regiunea E „de 0,01 eV.

La decalaj bandă germaniu Ex zona = 0,66 eV, astfel încât distanța dintre banda de valență și nivelele de impurități mai mic de 66 de ori lățimea spațiului liber în cristal.

Electronii asociate cu atomii de indiu, își pierd capacitatea de a muta în rețeaua de germaniu și nu participă la conducția. Purtătorilor de sarcină sunt doar găurile care au apărut în banda de valență.

Impuritatile electroni interesante din banda de valență se numește acceptor. și nivelurile lor acceptor urovni- de energie. Semiconductors care conțin astfel de impurități sunt numite semiconductori hole sau semiconductori p - tip.

atomii impurității din alte grupe de niveluri sub formă de tabel periodic situate departe de banda de conducție și departe de banda de valență. Prin urmare, acestea nu au nici un efect notabil asupra conductivitatea semiconductorilor, dar influențează foarte mult generarea și recombinarea electroni și găuri.

6. de bază și non-bază purtătorilor de sarcină în semiconductori. Ori există întotdeauna un adevărat semiconductoare electroni de conducție și găuri. Semiconductorul pur concentrațiile lor sunt aceleași. În semiconductori, n-tip de conductivitate este dominat de electroni, în timp ce semiconductori de tip p în gaura predomină. Purtătorilor de sarcină predominante sunt numite purtători majoritari, așa cum este reprezentat în minoritate - minoritate.

7. Dependența conductivității electrice a semiconductorilor asupra temperaturii. Termistoare. La o temperatură de absolută conductivitate electrică zero, ca (conductivitate intrinsecă) în mod ideal pur și semiconductor impuritate trebuie să fie egal cu zero. Semiconductorii bandgap este în pură Eg = 0,5¸1 eV, iar distanța de energie la nivelurile donor și acceptor de impurități în semiconductori de zece ori mai mici la E = 0.01 eV. De aceea, prin încălzirea semiconductoare pornind de la T = 0 K, înainte de nivelul de impurități excitat. Conductivitatea electrică a semiconductorilor dopate crește mai repede decât net.

La ris.114 compară conductivitatea unui semiconductor pur (curba 1), cu o conductivitate de tip semiconductor impuritatea n (curba 2) la temperaturi diferite. La prima conductibilitate impuritate predomină în mod semnificativ în sine și crește aproape liniar cu temperatura. La o anumita temperatura T1 se produce ionizare completă a donatorilor, iar creșterea conductivității impurităților încetează. La o anumită temperatură T2> T1 incepe cu ionizare intensa semiconductoare actuale. Indiferent de tipul de semiconductoare conductivitate cresc rapid și la T> T1 poate fi reprezentat prin formula :. (15.2)

Dacă logaritmii cu formula (15.2) și reprezentate grafic dependența ln g de 1çT. se transformă o linie dreaptă la propriile sale semiconductori. Panta acestei linii puteți determina lățimea benzii Ex.

Creșterea conductivității electrice a semiconductorilor cu creșterea temperaturii este foarte importantă. De exemplu, când germaniul este încălzit de la 100 K la 600 g de creșterile sale de conductivitate cu 17 ordine de mărime. O astfel de dependență puternică a g (T) poate fi utilizat pentru măsurarea temperaturii semiconductori. Pentru fabricarea rezistoarelor sensibile la temperatură (termistoare) utilizată este de obicei oxizi metalici puri sau amestecuri ale acestora din ZnO, MgO, Fe3 O4. MnO, MgAl2 O4. ZnTiO4.

Coeficientul de temperatură al rezistivității r este negativ și termistoare (ris.115). Termistoare sunt utilizate pe scară largă în circuite de poduri automate și potențiometre asociate cu mecanisme de reglementare.

8. Absorbția luminii de semiconductori. Fotorezistul. Ca și în cazul oricărei alte substanțe, semiconductori capabile să absoarbă lumina incidente pe acesta. Distinge între absorbția intrinsecă și extrinsecă. Atunci când absorbția de energie corespunzătoare a luminii care intră în semiconductor, electronii consumate pentru excitație și trecerea lor de la banda de valență la banda de conducție. În conformitate cu legea de conservare a energiei, această absorbție poate avea loc numai în cazul în care energia hn Quanta lumina nu este mai mică decât zona De exemplu, diferența de bandă. hn ³ Ex. De aici puteți găsi maxim Imax lungimii de undă de absorbție intrinsecă. . (15.3)

Aici - viteza luminii. Pentru siliciu, de exemplu, Ex = 1,1 eV, m.

Cele dopate de tip n semiconductori electronii de la nivelurile donator se pot deplasa în banda de conducție și impuritate semiconductor p - tipul din banda de valență la nivelurile acceptor. Această absorbție impuritate. această muchie de absorbție este deplasată spre lungimi de undă mai lungi, cu atât mai puternică cu atât mai mică energia tranziției corespunzătoare. Cu toate acestea, în cazul în care atomii de impuritate sunt ionizate deja, absorbția de impurități va dispărea. Pentru o absorbție lungime de undă lungă a semiconductorului impurități trebuie să aibă o temperatură T este mai mică decât depleția temperaturii T1 impuritate (ris.114). De exemplu, un germaniu Ge dopat cu aur Au (impurității ionizare energie E = 0,08 eV) m cu absorbție longwave se observă numai când temperatura de reflux azotului lichid T = 77 K, și un germaniu dopat cu antimoniu Sb (E = 0,01 eV) absorbția cu microni a fost observată numai la temperaturi de heliu lichid T £ 4 K.

Când absorbția intrinsecă și extrinsecă a luminii cu purtători liberi în exces. Prezența lor conduce la o creștere a conductivității electrice a semiconductorilor. Procesul de eliberare a electronilor din legăturile de valență numit efect fotoelectric intern. semiconductor conductanța incrementală dobândită prin iradiere cu lumina se numește fotoconductie. En conductivitate din cauza mișcării termice a purtătorilor de sarcină liberi, numit întuneric. Dispozitivele care permit să înregistreze emisie de lumină prin intermediul fenomenului de fotoconductie, numit fotorezistoare.

Photoresistor este de obicei un film semiconductor cu două contacte ohmice, lipite pe izolator (Fig.116). Elementul de detecție trebuie să fie suficient de gros, astfel încât absoarbe tot fluxul luminos, unde R - reflectanta * 0 - flux de incident. În acest caz, numărul N de perechi de purtători în absorbția intrinsecă, lumina generată pe unitatea de timp este. (15,4)

În cazul în care h - eficiența cuantică internă a efectului fotoelectric, egal cu numărul de perechi de transportatori se nasc în medie, fiecare foton absorbit. Poate fi mai mult de 1, în cazul în care absorbția unei energii foton unic de născuți două sau mai multe perechi de mare electron-gol, și mai mică decât una, în cazul în care o parte a fotonilor absorbite de către transportatorii liberi.

De obicei photoresistor produsă din amestecuri CdTe, CdSe, Si, Ge, Cu2 O, InSb și alții. Ei au o sensibilitate selectivă la lumina anumitor lungimi de undă. Trăsătura caracteristică a acestora - mici lățimea benzii interzise. De exemplu, InSb este 0,18 eV. Constanta de timp a fotoconductorilor definind inerția, se află în intervalul de la 10 până la 10 -3 -8 secunde. Relația Rmax / Rmin fotoconductor 10 iunie poate ajunge.