Elektrivool pooljuhtides. Sisemine ja lisandite juhtivus

Pooljuhtide sisejuhtivus

Pooljuhtides on põhiriba eraldatud ergastatud tasemete ribast lõpliku energiaintervalliga ($\kolmnurk E$). Pooljuhtide põhiriba nimetatakse valentsribaks ja ergastatud olekute riba nimetatakse juhtivusribaks. T = 0 K korral on valentsriba täielikult täidetud, samas kui juhtivusriba on vaba. Seetõttu ei juhi pooljuhid absoluutse nulli lähedal voolu. Üldjuhul erinevad dielektrikud ja pooljuhid ribateooria seisukohalt ainult ribalaiuse ($\kolmnurk E$) poolest. Tavaliselt hõlmavad dielektrikud pooljuhte, mille $\kolmnurk E>2eV.$

Märkus 1

Pooljuhtides vahetavad elektronid temperatuuri tõustes energiat kristallvõres olevate ioonidega. Tänu sellele võib elektron omandada täiendavat kineetilist energiat suurusega $\umbes kT.\ $Sellest energiast võib piisata osa elektronide ülekandmiseks juhtivusribale. Need juhtivusriba elektronid juhivad voolu.

Valentsusribas vabanevad kvantolekud, mis ei ole elektronide poolt hõivatud. Selliseid olekuid nimetatakse aukudeks. Augud on voolukandjad. Elektronid võivad aukudega rekombineerida (teha kvantüleminekuid täitmata olekutesse, st aukudesse). Sel juhul vabanevad endised täidetud olekud, st need muutuvad aukudeks. Viimased rekombineeruvad uute elektronidega ja taas tekivad augud. Nende protsesside tulemusena tekib aukude tasakaalukontsentratsioon, mis välisvälja puudumisel on kogu juhi ruumala ulatuses ühesugune. Kvantüleminek elektroniga kaasneb selle liikumine vastu välja. See vähendab süsteemi potentsiaalset energiat. Üleminek, mis on seotud liikumisega välja suunas, suurendab süsteemi potentsiaalset energiat. Üleminekud välja vastu prevaleerivad üleminekuid piki välja, mis tähendab, et vool hakkab voolama läbi pooljuhi rakendatud suunas elektriväli. Avatud pooljuhis liigub vool seni, kuni elektriväli välisvälja kompenseerib. Nähtuse lõpptulemus on sama, kui voolukandjad poleks elektronid, vaid positiivselt laetud augud. Sellest tulenevalt eristatakse pooljuhtide elektron- ja aukjuhtivust.

Metallide ja pooljuhtide tõelised voolukandjad on elektronid; augud sisestatakse formaalselt. Auke, nagu tõelisi positiivselt laetud osakesi, ei eksisteeri. Küll aga selgus, et elektriväljas liiguvad augud samamoodi nagu klassikalises arvestuses liiguksid positiivselt laetud osakesed. Tänu elektronide väikesele kontsentratsioonile juhtivusribas ja aukudele valentsribas saab kasutada klassikalist Boltzmanni statistikat.

Märkus 2

Pooljuhtide, nii elektrooniliste kui ka aukude juhtivus ei ole seotud lisandite olemasoluga. Seda nimetatakse pooljuhtide sisemiseks elektrijuhtivuseks.

Ideaalis puhtas, ilma lisanditeta pooljuhis vastaks iga termilise liikumise või valguse toimel vabanev elektron ühe augu tekkele ehk voolu tekkes osalevate elektronide ja aukude arv oleks sama.

Ideaalis puhtaid pooljuhte looduses ei eksisteeri, nende kunstlik valmistamine on äärmiselt keeruline. Väikesed lisandite jäljed muudavad pooljuhtide omadusi kvalitatiivselt.

Pooljuhtide lisandite juhtivus

Pooljuhtide elektrijuhtivus, mis on põhjustatud teiste aatomite lisandite olemasolust keemilised elemendid, nimetatakse lisandi elektrijuhtivuseks. Väikseim kogus lisandeid võib pooljuhtide juhtivust oluliselt tõsta. Metallides täheldatakse vastupidist nähtust. Lisandid vähendavad alati metallide juhtivust.

Juhtivuse suurenemine lisandite olemasolul on seletatav sellega, et pooljuhtides, mis paiknevad pooljuhi ribalaius, tekivad täiendavad energiatasemed.

Doonori lisandid

Laske sagedusriba täiendavatel tasemetel ilmuda juhtivusriba alumise serva lähedale. Kui energiavahemik, mis eraldab täiendavaid energiatasemeid juhtivusribast, on ribavahega võrreldes väike, siis elektronide arv juhtivusribas ja seega ka pooljuhi enda juhtivus suureneb. Lisandeid, mis varustavad juhtivusriba elektrone, nimetatakse doonoriteks (doonorlisanditeks). Täiendavaid energiatasemeid nimetatakse doonoritasemeteks.

Doonorlisanditega pooljuhte nimetatakse elektroonilisteks (n-tüüpi pooljuhtideks).

Aktseptori lisandid

Laske lisandi sisseviimisel valentsriba ülemise serva lähedale ilmuda täiendavaid tasemeid. Sel juhul liiguvad valentsriba elektronid nendele lisatasemetele. Sel juhul tekivad valentsriba augud ja nii tekib pooljuhi augu elektrijuhtivus. Selliseid lisandeid nimetatakse aktseptoriteks (aktseptorlisanditeks). Täiendavaid tasemeid nimetatakse aktseptori tasemeteks.

Pooljuhte, millel on aktseptorlisandid, nimetatakse aukpooljuhtideks (p-tüüpi pooljuhtideks). Võib esineda segapooljuhte.

Millist tüüpi juhtivus on pooljuhil (elektrooniline või auk), hinnatakse Halli efekti märgi järgi.

Lisandite sisseviimise protsessi nimetatakse dopinguks. Lisandite tasemete väga kõrgete kontsentratsioonide korral võib täheldada lisandite tasemete lõhenemist, mille tulemusena võivad need katta vastavate energiaribade piirid.

Näide 1

Ülesanne: Selgitage, mis tüüpi lisanditeks võivad ränikristallvõres olla arseeni- ja booriaatomid?

Kaaluge räni ja arseeni. Räni on neljavalentne aatom, seetõttu on räni aatomil neli elektroni. Arseen on viievalentne, mis tähendab, et selle aatom sisaldab viit elektroni. Viiendat elektroni saab arseeni aatomist eemaldada termilise liikumise tõttu. Positiivne arseeniioon võib ühe räni aatomi võrest välja tõrjuda, asudes selle asemele. Seega tekib võrekohtade vahele juhtivuselektron. Järelikult selgub, et arseen on räni doonorlisandiks.

Vaatleme boori räni lisandina. Boori aatomi väliskestal on kolm elektroni. Boori aatom suudab hõivata puuduva neljanda elektroni mõnest külgnevast kohast ränikristallis. Sellesse kohta tekib auk ja tekkiv negatiivne booriioon võib räni aatomi kristallvõrest välja tõrjuda ja selle asemele asuda. Aukude juhtivus esineb ränikristallil. Boor on aktseptori lisand.

Vastus: Arseen on ränivõres doonorlisandiks, boor on räni vastuvõtja lisand.

Näide 2

Ülesanne: Termoelementide puhul voolab kuumas ristmikus vool mõnel juhul metallist pooljuhini, teistel aga pooljuhist metalli, selgita miks?

Just pooljuhtide elektron- ja aukjuhtivuse erinevus selgitab ülesande tingimustes kirjeldatud protsessi.

Elektroonilises pooljuhis on elektronide kiirus kuumas otsas suurem kui külmas otsas. Järelikult lekivad (hajuvad) elektronid kuumast otsast külma, kuni laengu ümberjaotumise tõttu tekkiv elektriväli peatab difundeeruvate elektronide voolu. Kui tasakaal on saavutatud, on kuum ots, mis on kaotanud elektronid, positiivse laenguga, külm ots, mis on saanud liigselt elektrone, on seetõttu negatiivse laenguga. See tähendab, et kuuma ja külma otsa vahel ilmneb potentsiaalide erinevus (positiivne).

Aukpooljuhis toimub vastupidine protsess. Aukude difusioon kulgeb kuumast otsast külma otsa. Sel juhul saab kuum ots negatiivse laengu ja külm ots saab positiivse laengu. Kuuma ja külma otsa potentsiaali erinevuse märk on negatiivne.

Keemiliselt puhaste pooljuhtide juhtivust nimetatakse oma juhtivus, ja pooljuhid ise on nende endi pooljuhid.Puhtsas pooljuhis on vabade elektronide ja aukude arv sama. Pooljuhile rakendatud pinge mõjul on vabade elektronide suunalise liikumise kiirus selles suurem kui aukudel. Seetõttu on elektroonikajuhtivuse I e voolutugevus suurem kui avajuhtivuse tugevus I d. Koguvool pooljuhis I = I e + I d.

Pooljuhi sisejuhtivus suureneb temperatuuri tõustes. Konstantsel temperatuuril tekib dünaamiline tasakaal aukude moodustumise protsessi ning elektronide ja aukude rekombinatsiooni vahel. Selle tingimuse korral jääb juhtivuse elektronide ja aukude arv ruumalaühiku kohta muutumatuks.

Pooljuhtide juhtivust mõjutavad suuresti nendes leiduvad lisandid. Sisestades pooljuhtidesse teatud lisandeid, saab suhteliselt suur hulk vabad elektronid väikese arvu “aukudega” või vastupidi, suure hulga “aukudega” väga väikese arvu vabade elektronidega. Lisanditest põhjustatud juhtide juhtivust nimetatakse lisandite juhtivus, ja pooljuhid ise on lisandipooljuhid. Lisandeid, mis annavad kergesti oma elektronid peamisele pooljuhile ja suurendavad seetõttu vabade elektronide arvu selles, nimetatakse doonor(eraldub) lisandeid. Selliste lisanditena kasutatakse elemente, mille aatomites on suurem arv valentselektrone kui peamise pooljuhi aatomites. Seega on germaaniumi puhul doonoriteks arseeni ja antimoni lisandid.

Germaaniumis arseeni lisandite saamiseks segatakse need kokku ja sulatatakse. Germaanium on neljavalentne element. Arseen on viievalentne. Kui germaaniumi kristallvõre kohas toimub tahkumine, asendatakse germaaniumi aatom arseeniaatomiga. Viimaste elektronid moodustavad tugeva kovalentse sideme nelja naabruses asuva germaaniumi aatomiga (joon. 102, a). Arseeni järelejäänud viies valentselektron, mis ei osale paariselektroonilistes sidemetes, jätkab liikumist arseeni aatomi ümber. Tulenevalt asjaolust, et germaaniumi dielektriline konstant ε = 16, väheneb elektroni tõmbejõud tuumale, elektroni orbiidi suurus suureneb 16 korda; selle sidumisenergia aatomiga väheneb 256 korda (st ε 2 korda) ja soojusliikumise energiast piisab selle elektroni eraldamiseks aatomist. See hakkab germaaniumvõres vabalt liikuma, muutudes seega juhtivuselektroniks.

Arseeni aatom, mis asub germaaniumi kristallvõre kohas, on kaotanud elektroni, muutub positiivseks iooniks.

See on tugevalt seotud germaaniumi kristallvõrega, mistõttu ei osale voolu moodustamises.

Energiat, mis kulub elektroni ülekandmiseks valentsribalt juhtivusribale (vt joonis 96), nimetatakse nn. aktiveerimise energia. Lisandvoolukandjate puhul on see tavaliselt kordades väiksem kui põhipooljuhi voolukandjal. Seetõttu eralduvad vähese kuumutamise ja valgustamisega peamiselt lisandite aatomite elektronid. Kaotatud elektroni asemele tekib doonor-aatomisse auk. Samas ei täheldata peaaegu üldse elektronide liikumist aukudesse, st doonori poolt tekitatav lisaaugujuhtivus on väga väike. Seda selgitatakse järgmiselt. Lisandite aatomite väikese arvu tõttu on selle juhtivuselektronid harva augu läheduses ega suuda seda täita. Ja peamise pooljuhi aatomite elektronid, kuigi need asuvad aukude lähedal, ei suuda neid oma palju madalama energiataseme tõttu hõivata.

Väike doonorlisandi lisamine muudab vabade juhtivuse elektronide arvu tuhandeid kordi suuremaks kui vabade juhtivuselektronide arv puhtas pooljuhis samadel tingimustel. Doonorlisandiga pooljuhis on peamised laengukandjad elektronid. n-tüüpi pooljuhid.

Lisandeid, mis püüavad peamisest pooljuhist elektrone kinni ja suurendavad seetõttu selles olevate aukude arvu, nimetatakse aktsepteerija(saab vastu) lisandid. Sellised lisandid on elemendid, mille aatomites on vähem valentselektrone kui peamise pooljuhi aatomites. Seega, võrreldes germaaniumiga, on indiumi ja alumiiniumi lisandid aktseptorlisandid.

Germaaniumi indiumi lisandite saamiseks segatakse need kokku ja sulatatakse. Germaanium on neljavalentne element. Indium on kolmevalentne. Kovalentsete sidemete moodustamiseks nelja lähima naabruses asuva germaaniumiaatomiga puudub indiumiaatomil üks elektron. Indium laenab selle germaaniumi aatomilt (joon. 102, b). Selleks antakse germaaniumi aatomite elektronidele kuumutamise teel energiat, millest piisab vaid purunemiseks kovalentne side, mille järel vabastatud elektronid püüavad kinni indiumiaatomid. Kuna need elektronid ei ole vabad, ei osale nad voolu moodustamises. Indiumiaatomid muutuvad negatiivseteks ioonideks, nad on tugevalt seotud germaaniumi kristallvõrega ja seetõttu ei osale voolu moodustumises.

Germaaniumi aatomist lahkunud elektroni asemele tekib auk, mis on positiivse laengu vaba kandja. Seda auku saab täita naabruses asuva germaaniumi aatomi elektron A jne. Aktseptori lisandiga pooljuhis on peamised laengukandjad augud. Selliseid pooljuhte nimetatakse p-tüüpi pooljuhid.

Seega, erinevalt sisejuhtivusest, mida teostavad samaaegselt elektronid ja augud, on pooljuhi lisandijuhtivus tingitud peamiselt sama märgi kandjatest: doonorlisandi puhul elektronid ja aktseptorlisandi puhul augud. . Need laengukandjad lisandiga pooljuhtides on enamus. Lisaks neile sisaldab selline pooljuht vähemuskandjaid: elektroonilises pooljuhis - auke, augus pooljuhis - elektrone. Nende kontsentratsioon on oluliselt väiksem kui peamiste kandjate kontsentratsioon.

Pooljuhid on ainete klass (tahked ained), mille valentsriba on täielikult hõivatud elektronidega, mis on juhtivusribast eraldatud kitsa (umbes 1 eV) ribalaiusega. Nende elektrijuhtivus on väiksem kui metallide elektrijuhtivus, kuid suurem kui dielektrikute elektrijuhtivus.

Pooljuhtide hulka kuuluvad elemendid (Si, Ge, As, Se, Te), keemilised ühendid(oksiidid, sulfiidid, seleniidid), erinevate rühmade elementide sulamid.

Peamine omadus, mis eristab pooljuhte ainete eriklassina, on temperatuuri ja lisandite kontsentratsiooni tugev mõju nende elektrijuhtivusele.

On sisemisi ja lisanditega pooljuhte. Puhaste pooljuhtide (mis on täiesti vabad lisanditest) elektrijuhtivust nimetatakse sisejuhtivuseks.

Sisemiste pooljuhtide hulka kuuluvad germaanium ja räni. Räni molekulaarstruktuur on näidatud joonisel fig. 8.8, kus:

Südamikud ja sisemised elektroonilised kestad;

Auk, vaba koht puuduva ühendusega;

Valentselektronid, mis moodustavad kovalentse sideme.

Germaaniumil ja ränil on sama kristallvõre: iga aatomit ümbritseb neli aatomit, mis paiknevad korrapärase tetraeedri tippudes. Aatomi väliskestal on neli valentselektroni, seega moodustab iga aatom nelja lähima naabriga neli kovalentset sidet.

Joonisel fig. Joonisel 8.9 on kujutatud elektronide energiastruktuur pooljuhis. T = 0 korral on valentsriba kõik tasemed hõivatud ja Fermi tase asub juhtivusriba eraldavas ribalaiuses. Sel juhul pole juhtivusribas elektrone. Pooljuhtidele on tüüpiline, et ribavahemik on kuni 10 kT. Toatemperatuuril kattub Fermi-Dirac funktsiooni "hägustumine" ja elektronide ülemineku tõenäosus valentsribalt juhtivusribale ei ole võrdne 0-ga.

Seega pooljuhtides (mis eristab neid põhimõtteliselt dielektrikutest) võivad kuumutamisest või kiiritusest põhjustatud suhteliselt väikesed energiamõjud viia mõnede elektronide eraldumiseni nende aatomitest. See on kandja moodustumise mehhanism puhastes pooljuhtides.

Temperatuuril T=0 K ja mitte muul välised tegurid sisemised pooljuhid käituvad nagu dielektrikud. Temperatuuri tõustes võivad valentsriba ülemistelt tasanditelt pärit elektronid liikuda juhtivusriba alumistele tasanditele. Elektrivälja rakendamisel segunevad elektronid välja vastu. Pooljuhis ilmub elektrivool. Sisemiste pooljuhtide elektronjuhtivust nimetatakse elektronjuhtivuseks ehk n-tüüpi juhtivuseks.

Elektronide termilise ülemineku tõttu valentsribas tekivad vabad olekud, mida nimetatakse aukudeks. Välises elektriväljas võib elektron naabertasandilt liikuda elektroni poolt vabastatud kohale, auk ja sellesse kohta, kust elektron lahkus, tekib auk jne. See aukude elektronidega täitmise protsess võrdub augu liigutamisega elektroni liikumisele vastupidises suunas. Avad tegelikult ei liigu. Aukudest (kvaasiosakestest) tingitud sisemiste pooljuhtide juhtivust nimetatakse aukjuhtivuseks ehk p-tüüpi juhtivuseks.

Seega on sisemistes pooljuhtides kaks juhtivusmehhanismi: elektrooniline ja auk. Elektronide arv juhtivusribas võrdub aukude arvuga valentsribas. Järelikult, kui juhtivuselektronide ja aukude kontsentratsioon on võrdne vastavalt n e ja n p, siis n e = n p.

Sisemiste pooljuhtide juhtivus on alati ergastatud, s.t. ilmneb ainult välistegurite mõjul (temperatuuri tõus, kiiritamine, tugevad elektriväljad jne).

Sisemises pooljuhis on Fermi tase ribalaiuse keskel. Kui elektron liigub valentsriba ülemiselt tasemelt juhtivusriba alumisele tasemele, kulub aktiveerimisenergia, mis on võrdne ribavahega E, mis viib valentsriba augu tekkimiseni. Voolukandjate paari tekkimisele kulutatud energia tuleb jagada kaheks võrdseks osaks. Seetõttu peab kõigi nende protsesside lähtekoht olema ribalaiuse keskel. Fermi energia sisemises pooljuhis on energia, millest elektronid ja augud ergastuvad.

Füüsikas tahke on tõestatud, et elektronide kontsentratsioon juhtivusribas

, (8.17)

kus W 2 on juhtivusriba põhjale vastav energia;

W F – Fermi energia;

T – termodünaamiline temperatuur;

C 1 on konstant, mis sõltub temperatuurist ja juhtivuse elektroni efektiivsest massist.

Märge. Efektiivne mass on suurus, millel on massi mõõde. See iseloomustab juhtivuselektronide ja aukude dünaamilisi omadusi. Võimaldab arvesse võtta mitte ainult välise välja, vaid ka kristalli sisemise perioodilise välja mõju juhtivuselektronidele, käsitleda nende liikumist välisväljas vabade osakeste liikumisena, ilma interaktsiooni arvesse võtmata. juhtivuselektronidest võrega.

Aukude kontsentratsioon valentsribas

, (8.18)

kus C 2 on temperatuurist ja aukude efektiivsest massist sõltuv konstant;

W 1 – valentsriba ülemisele piirile vastav energia. Ergastusenergiat arvestatakse sel juhul Fermi tasemest allapoole, seega on eksponentsiaalteguri väärtused erinevad.

Vastavalt sellele, et n e = n p, on meil

. (8.19)

Kui elektronide ja aukude efektiivsed massid on võrdsed, siis antud temperatuuril C 1 = C 2 ja seetõttu

. (8.20)

Seega asub sisemise pooljuhi Fermi tase tõepoolest ribalaiuse keskel.

Kuna sisemiste pooljuhtide DW>>kT puhul on Fermi-Dirac jaotus kujul

, (8.21)

Kus – fermioonide keskmine arv Wi energiaga olekus;

m – keemiline potentsiaal.

Nendel tingimustel muutub Fermi-Dirac jaotus Maxwell-Boltzmanni jaotuseks:

, (8.22)

Seega on meil:

. (8.23)

Asendades (W - W F) = DW/2 valemis (8.23), saame

. (8.24)

Kuna juhtivusribale üle kantud elektronide arv ja seega ka moodustunud aukude arv on võrdeline , siis sisemiste pooljuhtide erijuhtivus

kus g o on antud pooljuhi konstantne tunnus.

Pooljuhtide elektriline eritakistus

Pooljuhtide juhtivuse suurenemine temperatuuri tõusuga on seletatav sellega, et temperatuuri tõustes suureneb pooljuhtides elektronide arv, mis termilise ergastuse mõjul liiguvad juhtivusriba ja osalevad juhtivuses.

Pooljuhtides on lisaks elektronide ja aukude genereerimise protsessile võimalik ka nende rekombinatsiooni protsess. Elektronid võivad liikuda juhtivusribalt valentsribale, andes võrele üleliigse energia ja kiirgades elektromagnetkiirguse kvante. Selle tulemusena saavutatakse iga temperatuuri jaoks teatud tasakaal elektronide ja aukude kontsentratsioonis, sõltuvalt temperatuurist.

Rekombinatsioonikiirus, s.o. ajaühikus kaduvate elektron-augu paaride arv on määratud pooljuhi omadustega; lisaks on see võrdeline elektronide ja aukude kontsentratsiooniga, kuna mida suurem on laengukandjate arv, seda tõenäolisem on nende kohtumine, mille tulemuseks on rekombinatsioon. Seega rekombinatsiooni määr

« Füüsika – 10. klass"

Miks sõltub juhtmete takistus temperatuurist?
Milliseid nähtusi täheldatakse ülijuhtivuse seisundis?

Pooljuhid- ained, mille eritakistus on metallide eritakistuse (10 -6 -10 -8 oomi m) ja dielektrikute eritakistuse (10 8 -10 13 oomi m) vahepealne.

Erinevus juhtide ja pooljuhtide vahel ilmneb eriti hästi, kui analüüsida nende elektrijuhtivuse sõltuvust temperatuurist. Uuringud näitavad, et paljude elementide (räni, germaanium, seleen, indium, arseen jne) ja ühendite (PbS, CdS, GaAs jne) takistus ei suurene temperatuuri tõustes, nagu metallide puhul (vt joonis 1). 16.3 ), kuid vastupidi, väheneb ülijärsult (joonis 16.4).

See omadus on omane just pooljuhtidele.

Joonisel kujutatud graafikult on selge, et lähedasel temperatuuril absoluutne null, on pooljuhtide eritakistus väga kõrge. See tähendab, et madalatel temperatuuridel käitub pooljuht nagu dielektrik. Temperatuuri tõustes väheneb selle takistus kiiresti.

Pooljuhtide ehitus.

Transistori vastuvõtja sisselülitamiseks ei pea te midagi teadma. Kuid selle loomiseks pidi palju teadma ja omama erakordset annet. Transistoride toimimise üldmõistmine pole nii keeruline. Esiteks peate tutvuma pooljuhtide juhtivuse mehhanismiga. Ja selleks peate süvenema ühenduste olemus, hoides pooljuhtkristalli aatomeid üksteise lähedal.

Näiteks kaaluge ränikristalli.

Räni on neljavalentne element. See tähendab, et selle aatomi väliskestas on neli elektroni, mis on tuumaga suhteliselt nõrgalt seotud. Iga räni aatomi lähimate naabrite arv on samuti neli. Ränikristalli ehituse skeem on näidatud joonisel (16.5).

Naaberaatomite paari interaktsioon viiakse läbi paaris-elektroonilise sideme abil, mida nimetatakse kovalentne side. Selle sideme moodustumisel osaleb igast aatomist üks valentselektron, elektronid eraldatakse aatomist, kuhu nad kuuluvad (kogutakse kristalli poolt) ja liikumise ajal veedavad nad suurema osa ajast naaberaatomite vahelises ruumis. Nende negatiivne laeng hoiab positiivseid räniioone üksteise lähedal.

Ei tohiks arvata, et elektronide kollektiivne paar kuulub ainult kahele aatomile. Iga aatom moodustab oma naabritega neli sidet ja iga valentselektron võib liikuda mööda ühte neist. Olles jõudnud naaberaatomini, võib see liikuda edasi järgmisele ja seejärel edasi mööda kogu kristalli. Valentselektronid kuuluvad kogu kristallile.

Ränikristalli elektronpaarsidemed on üsna tugevad ega purune madalal temperatuuril. Seetõttu ei juhi räni madalal temperatuuril elektrivoolu. Aatomite sidumisel osalevad valentselektronid on nagu tsementeeriv lahus, mis hoiab kristallvõrest kinni ja välisel elektriväljal ei ole nende liikumisele märgatavat mõju. Germaaniumi kristallil on sarnane struktuur.

Elektrooniline juhtivus.

Räni kuumutamisel kineetiline energia osakeste hulk suureneb ja üksikud sidemed katkevad. Mõned elektronid lahkuvad oma "tabatud radadelt" ja muutuvad vabaks, nagu elektronid metallis. Elektriväljas liiguvad nad võre sõlmede vahel, tekitades elektrivoolu (joon. 16.6).

Vabade elektronide olemasolust tingitud pooljuhtide juhtivust nimetatakse elektrooniline juhtivus.

Temperatuuri tõustes suureneb katkenud sidemete ja seega ka vabade elektronide arv. Kuumutamisel 300 kuni 700 K suureneb vabade laengukandjate arv 10 17-lt 10 24 1/ml 3-le. See viib resistentsuse vähenemiseni.

Aukude juhtivus.

Pooljuhi aatomitevahelise sideme katkemisel tekib puuduva elektroniga vaba koht, mida nimetatakse nn. auk.

Aukus on teiste katkematute sidemetega võrreldes üleliigne positiivne laeng (vt joonis 16.6).

Ava asukoht kristallis ei ole konstantne. Järgmine protsess toimub pidevalt. Üks aatomite ühendust tagavatest elektronidest hüppab tekkinud augu kohale ja taastab siin paari-elektroonilise sideme ning sealt, kust see elektron hüppas, tekib uus auk. Seega saab auk liikuda kogu kristalli ulatuses.

Kui elektrivälja tugevus proovis on null, siis augud liiguvad juhuslikult ega tekita seetõttu elektrivoolu. Elektrivälja olemasolul toimub aukude järjestatud liikumine.

Aukude liikumissuund on vastupidine elektronide liikumissuunale (joon. 16.7).

Välise välja puudumisel on vaba elektroni (-) kohta üks auk (+). Välja rakendamisel nihkub vaba elektron välja väljatugevuse vastu. Selles suunas liigub ka üks seotud elektronidest. See näeb välja nagu augu liigutamine põllu suunas.

Seega on pooljuhtides kahte tüüpi laengukandjaid: elektronid ja augud.

Aukude liikumisest põhjustatud juhtivust nimetatakse augu juhtivus pooljuhid.

Uurisime puhaste pooljuhtide juhtivusmehhanismi.

Puhaste pooljuhtide juhtivust nimetatakse enda juhtivus.

Lisandite juhtivus.

Pooljuhtide sisejuhtivus on tavaliselt väike, kuna vabade elektronide arv on väike: näiteks germaaniumis toatemperatuuril n e = 3 10 13 cm -3. Samal ajal on germaaniumi aatomite arv 1 cm 3 kohta suurusjärgus 10 23.

Seega on vabade elektronide arv ligikaudu üks kümnemiljardik koguarv aatomid.

Pooljuhtide juhtivust saab märkimisväärselt suurendada, kui sisestada neisse lisand. Sel juhul tekib koos oma juhtivusega veel üks - lisandite juhtivus.

Juhtide juhtivust, mis on põhjustatud lisandite (võõrkeemiliste elementide aatomite) sattumisest nende kristallvõredesse, nimetatakse nn. lisandite juhtivus.

Doonori lisandid.

Lisame ränile väikese koguse arseeni. Arseeni aatomitel on viis valentselektroni. Neli neist on seotud kovalentse sideme loomisega antud aatomi ja ümbritsevate räni aatomite vahel. Viies valentselektron näib olevat aatomiga nõrgalt seotud. See lahkub kergesti arseeni aatomist ja muutub vabaks (joon. 16.8).

Ühe kümnemiljoniku arseeniaatomi lisamisel võrdub vabade elektronide kontsentratsioon 10 16 cm -3-ga. See on tuhat korda suurem kui vabade elektronide kontsentratsioon puhtas pooljuhis.

Nimetatakse lisandeid, mis kergesti loobuvad elektronidest ja suurendavad seetõttu vabade elektronide arvu doonor(andmine) lisandid.

Vabad elektronid liiguvad läbi pooljuhi samamoodi nagu vabad elektronid metallis.

Pooljuhte, millel on doonorlisandid ja seetõttu on suur hulk elektrone (võrreldes aukude arvuga), nimetatakse nn. n-tüüpi pooljuhid(alates Ingliskeelne sõna negatiivne - negatiivne).

N-tüüpi pooljuhtides on peamised laengukandjad elektronid ja augud mittetuuma.

Aktseptori lisandid.

Kui indium, mille aatomid on kolmevalentsed, kasutatakse lisandina, siis pooljuhi juhtivuse olemus muutub. Tavaliste paarielektrooniliste sidemete moodustamiseks naabritega puudub indiumiaatomil üks elektron, mille ta võtab kristalli naaberaatomilt. Selle tulemusena moodustub auk. Aukude arv kristallis võrdub lisandi aatomite arvuga (joon. 16.9).

Pooljuhtide lisandeid, mis tekitavad aukude täiendava kontsentratsiooni, nimetatakse aktsepteerija(saab vastu) lisandid.

Elektrivälja olemasolul liiguvad augud suunatult ja augu juhtivuse tõttu tekib elektrivool.

Nimetatakse pooljuhte, mille aukjuhtivus on ülekaalus elektronide juhtivuse suhtes p-tüüpi pooljuhid(ingliskeelsest sõnast positiivne - positiivne).

Peamised laengukandjad p-tüüpi pooljuhtides on augud ja vähemuslaengukandjad elektronid.

Lisandite kontsentratsiooni muutmisega saate oluliselt muuta ühe või teise märgi laengukandjate arvu. Tänu sellele on võimalik luua pooljuhte, mille valdav kontsentratsioon on üks voolukandjatest, elektronid või augud. See pooljuhtide omadus avab laiad võimalused nende praktiliseks rakendamiseks.

§ 3 Pooljuhtide sisejuhtivus

• Pooljuhtide sisemine struktuur.

Pooljuhtide hulka kuulub suur hulk aineid, mis oma elektriliste omaduste poolest asuvad juhtide ja dielektrikute vahel vahepealsel positsioonil. Pooljuhtide puhul j=1 2¸ 1 0-8 S/m (j - elektrijuhtivus). Juhtidele j = 1 4¸ 1 0 3 Sm/m; dielektrikute jaoks j< 10 -12 S/m. Kõige olulisem vara ja pooljuhtide tunnuseks on nende elektriliste omaduste sõltuvus välistingimustest T, E, R jne. Tunnusjoon pooljuhtide eesmärk on vähendada nende takistust temperatuuri tõustes. See on tüüpiline pooljuhtidele kristalne struktuur kovalentsete sidemetega aatomite vahel.

• Pooljuhtide sisejuhtivus.

Väliste tegurite mõjul omandavad mõned aatomite valentselektronid piisavalt energiat, et vabaneda kovalentsetest sidemetest.

Elektroni vabanemine kovalentsest sidemest energiadiagrammis vastab üleminekule valentsribalt juhtivusribale. Kui elektron vabaneb kovalentsest sidemest, tekib viimases vaba ruum, millel on elementaarne positiivne laeng, mis on absoluutväärtuselt võrdne elektroni laenguga. Seda elektroonilise side vabanenud kohta nimetati tavapäraselt auk, ja paari moodustamise protsessi nimetatakse tasude genereerimine. Positiivse laenguga auk seob enda külge elektroni külgnevast täidetud kovalentsest sidemest. Tulemusena üks ühendus taastatakse(seda protsessi nimetatakse rekombinatsioon) Ja naaber on hävinud. Siis saame rääkida positiivse laengu – augu – liikumisest üle kristalli. Kui kristallile mõjub elektriväli, muutub elektronide ja aukude liikumine korrastatud ning kristallis tekib elektrivool. Sel juhul nimetatakse auku juhtivust juhtivaks R-tüüp ( positiivne - positiivne) ja elektrooniline juhtivusn-tüüp (negatiivne - negatiivne).

Keemiliselt puhtas pooljuhtkristallis (lisandite arv 10 16 m -3) on aukude arv alati võrdne vabade elektronide arvuga ja selles tekib elektrivool üheaegse laengu ülekande tulemusena. mõlemad märgid. Seda elektron-augu juhtivust nimetatakse pooljuhi sisejuhtivus.

j = j n+ j lk

j- elektronide voolutihedus (n) ja augud ( R).

Sisemises pooljuhis on Fermi tase ribalaiuse keskel. Sest aktiveerimise energia, mis on võrdne ribavahega, kasutatakse elektroni ülekandmiseks valentsriba ülemisest tasemest juhtivusriba alumisele tasemele ja samal ajal valentsriba augu tekitamiseks. Need. voolukandjate paari moodustamiseks kulutatud energia jagatakse kaheks võrdseks osaks ja seega peab iga protsessi (elektroni üleminek augu tekkeks) lähtekoht olema voolukandja keskel. ribavahe.

Juhtivusribale üle kantud elektronide arv ja tekkinud aukude arv~

Seega sisemiste pooljuhtide juhtivus

γ on aine tüübi järgi määratud konstant.

Need. T suurenemisega γ suureneb, kuna ribateooria seisukohalt suureneb elektronide arv, mis termilise ergastuse tulemusena liiguvad juhtivusriba.

,

need.

Vastavalt joone kaldele ln γ on võimalik määrata ribalaiuse laiust D E.

§ 4 Pooljuhtide lisandite juhtivus

Lisandeid sisaldavates pooljuhtides koosneb elektrijuhtivus sisemisest ja ebapuhtus.

Juhtivus, mis on põhjustatud aatomitest pärinevate lisandite esinemisest pooljuhtkristallides erinev valents helistas ebapuhtus. Lisandeid, mis põhjustavad vabade elektronide arvu suurenemist pooljuhis, nimetatakse doonor, ja põhjustab aukude suurenemist - aktsepteerija.

Lisandite aatomite erinevaid mõjusid selgitatakse järgmiselt. Oletame, et germaaniumikristallis ( Ge 4+ ), mille aatomites on 4 valentselektroni, tutvustame viievalentset arseeni Nagu 5+ . Sel juhul sõlmivad arseeniaatomid oma viiest valentselektronist neljandikuga sideme. Arseeni 5. valentselektron jääb sidumata, st. muutub vabaks elektroniks. Pooljuhte, mille elektrijuhtivus on suurenenud vabade elektronide liigse moodustumise tõttu lisandi sisseviimisel, nimetatakse elektrooniliselt juhtivateks pooljuhtideks. (pooljuht n -tüüp),A doonorlisand (elektroni loovutamine).

Sissejuhatus 3-valentsilise elemendi 4-valentsisse pooljuhisse, näiteks ( Aastal 3+ ) indium viib vastupidiselt aukude liigsele vabadele elektronidele. Sel juhul ei saa kovalentsed sidemed täielikult lõpule viia ja tekkivad augud võivad kristalli ümber liikuda, luues auku juhtivuse. Pooljuhte, mille elektrijuhtivus tuleneb peamiselt aukude liikumisest, nimetatakse auku juhtivateks pooljuhtideks või pooljuhtideks R-tüüp ja segu - aktsepteerija (põnev elektron kovalentsest sidemest või valentsribast). Nende lisandite energiatasemeid nimetatakse aktseptori tasemed- asub valentsriba kohal.

Doonorlisandite energiatasemeid nimetatakse doonori tasemed- asub juhtivusriba alumise taseme all.

Lisandite pooljuhtides on laengukandjad peamine(elektronid juhisn-tüüp) ja mitte peamised(augud pooljuhis R-tüüp, elektronid pooljuhisn-tüüp).

Lisandite tasemete esinemine pooljuhtides muudab oluliselt Fermi taseme asendit E F . Pooljuhisn-tüüp at T= 0 K E F asub juhtivusriba põhja ja doonori taseme vahel. Suurenedes TÜha suurem hulk elektrone liigub doonoritasandilt juhtivusribale, kuid termilise ergastuse tõttu liiguvad osa valentsriba elektrone juhtivusribale. Seetõttu suurenedes T Fermi tase nihkub alla ribavahe keskele.

Pooljuhtides R-tüüp at T = 0 TO,E F keskel aktseptori taseme ja valentsriba tipu vahel. Suurenedes T E F nihkub ribavahe keskele.

Pooljuhtide juhtivuse sõltuvus temperatuurist on joonisel näidatud kujul (täpsemalt vt. laboritööd 8.6.).