Slide 1

Преподаватель Гребнева В.В.










Полупроводники.
Строение полупроводников и принцип их
действия.
Электропроводность проводников.
Механизм электрической проводимости
полупроводников
Виды полупроводников.
Использование полупроводников.

Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости
занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются
от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации
примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным
свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с
ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых
составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести
к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу
полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний,
селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических
соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества
окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе
полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его,
примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может
меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает,
в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи
температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники представляют собой особый класс кристаллов.
Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи. Такой
идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока
(при отсутствии освещения и радиационного облучения) .
Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с
атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении
температуры (T>0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут
разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома Такой электрон
является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше
концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше
удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления
полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации
носителей тока в нем.
В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых
веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере
электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое
место-«дырка» при воздействии электрическим полем на кристалл «дырка »
как положительный заряд, что фактически происходит благодаря разрыву
одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать
частицей, несущей положительный заряд.

Электропроводность полупроводников можно рассматривать с позиций
классической механики, то есть считать, что одновременно измеримы
координаты и импульс как электронов, так и дырок, и что можно
отслеживать движение каждого электрона и дырки индивидуально.
Показать это можно, рассмотрев функцию занятости состояний в случае
сравнительно узкой запрещенной зоны (см. рис.1). На нем штриховкой
отмечены занятые электронами состояния. Проанализировав зависимости,
изображенные на рис.1, можно сделать 2 вывода.
1. Первое, поскольку число электронов в зоне проводимости должно
равняться числу дырок в валентной зоне, то площади 1 и 2 должны быть
приблизительно равны (с малыми поправками на величины эффективных
масс электрона и дырки и трехмерное распределение состояний в
пространстве волновых векторов). Это достигается, если уровень Ферми
совпадает с серединой запрещенной зоны. Это утверждение можно доказать
и более строго (см. [1, 2, 3]).
2. Второе, так как
, то формула для вычисления
вероятности встретить электрон в зоне проводимости (и дырки в валентной
зоне) превращается в распределение Больцмана:

Рис. 1.
Распределение электронов по состояниям в полупроводнике

Это позволяет при описании поведения электронов и дырок
использовать классические подходы. Величину Е удобно отсчитывать от
верхнего края валентной зоны, что мы и будем подразумевать при
дальнейшем изложении.

Электропроводность полупроводников, как и других твердых
тел, определяется направленным движением электронов под
действием внешнего электрического поля. Существенные отличия
электропроводности
полупроводников
от
проводников
и
диэлектриков объясняется различием их энергетических диаграмм,
показанных на рис. 2. Здесь 1 зона проводимости, 2 — валентная
зона, 3 — запрещенная зона.
У проводников запрещенная зона отсутствует. Как видно из рисунка,
зона проводимости и валет пая зона частично перекрываются. При
этом
образуется
свободная
зона,
имеющая
свободные
энергетические уровни. Электроны заполненных валентных уровней
могут легко переходить на близлежащие свободные энергетические
уровни. Это определяет возможность их перемещения под
действием
внешнего
электрического
поля
и
хорошую
электропроводность металлов.

Рисунок 2.

Полупроводники
характеризуются
как
свойствами
проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах
атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в
кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам
необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома
(1,76·10−19Дж против 11,2·10−19Дж, чем и характеризуется отличие
между полупроводниками и диэлектриками).
Эта энергия появляется в них при повышении температуры
(например, при комнатной температуре уровень энергии теплового
движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные атомы
получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом
температуры число свободных электронов и дырок увеличивается,
поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное
сопротивление уменьшается.
Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией
связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный
механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без
примесей)
полупроводников.
Он
называется
собственной
электрической проводимостью полупроводников.



По характеру проводимости.

Собственная проводимость.
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки»
появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь
кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью.
В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация
свободных электронов равняется концентрации «дырок».
Проводимость связана с подвижностью частиц следующим
соотношением:
где
- удельное сопротивление,
— подвижность электронов,
….. — подвижность дырок, — их концентрация, q — элементарный
электрический заряд (1,602·10−19 Кл).
Для собственного полупроводника концентрации носителей
совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость
Примесная проводимость полупроводников — электрическая
проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике
донорных или акцепторных примесей.
Примесная проводимость, как правило, намного превышает
собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников
определяются типом и количеством введенных в него легирующих
примесей.
Для создания полупроводниковых приборов часто используют
кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы
изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами
трехвалентного или пятивалентного химического элемента.



По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)
Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего
отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет
примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например,
кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например,
мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в
ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома
мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на
дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно
меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в
свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не
дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток
подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники,
вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются
донорными. Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего
положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников,
кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой
проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний)
добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента
(например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь
с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым
атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он
захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними
атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие
чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае,
называются акцепторными.
Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании
замечательных материалов с электронной или дырочной
проводимостью.
Широкое применение полупроводников началось сравнительно
недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они
преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и,
наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном
радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной
атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых
выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой
аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить
габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую
ими мощность и резко увеличить надежность.


Slide 2

Преподаватель Гребнева В.В.










Полупроводники.
Строение полупроводников и принцип их
действия.
Электропроводность проводников.
Механизм электрической проводимости
полупроводников
Виды полупроводников.
Использование полупроводников.

Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости
занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются
от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации
примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным
свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с
ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых
составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести
к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу
полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний,
селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических
соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества
окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе
полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его,
примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может
меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает,
в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи
температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники представляют собой особый класс кристаллов.
Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи. Такой
идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока
(при отсутствии освещения и радиационного облучения) .
Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с
атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении
температуры (T>0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут
разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома Такой электрон
является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше
концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше
удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления
полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации
носителей тока в нем.
В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых
веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере
электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое
место-«дырка» при воздействии электрическим полем на кристалл «дырка »
как положительный заряд, что фактически происходит благодаря разрыву
одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать
частицей, несущей положительный заряд.

Электропроводность полупроводников можно рассматривать с позиций
классической механики, то есть считать, что одновременно измеримы
координаты и импульс как электронов, так и дырок, и что можно
отслеживать движение каждого электрона и дырки индивидуально.
Показать это можно, рассмотрев функцию занятости состояний в случае
сравнительно узкой запрещенной зоны (см. рис.1). На нем штриховкой
отмечены занятые электронами состояния. Проанализировав зависимости,
изображенные на рис.1, можно сделать 2 вывода.
1. Первое, поскольку число электронов в зоне проводимости должно
равняться числу дырок в валентной зоне, то площади 1 и 2 должны быть
приблизительно равны (с малыми поправками на величины эффективных
масс электрона и дырки и трехмерное распределение состояний в
пространстве волновых векторов). Это достигается, если уровень Ферми
совпадает с серединой запрещенной зоны. Это утверждение можно доказать
и более строго (см. [1, 2, 3]).
2. Второе, так как
, то формула для вычисления
вероятности встретить электрон в зоне проводимости (и дырки в валентной
зоне) превращается в распределение Больцмана:

Рис. 1.
Распределение электронов по состояниям в полупроводнике

Это позволяет при описании поведения электронов и дырок
использовать классические подходы. Величину Е удобно отсчитывать от
верхнего края валентной зоны, что мы и будем подразумевать при
дальнейшем изложении.

Электропроводность полупроводников, как и других твердых
тел, определяется направленным движением электронов под
действием внешнего электрического поля. Существенные отличия
электропроводности
полупроводников
от
проводников
и
диэлектриков объясняется различием их энергетических диаграмм,
показанных на рис. 2. Здесь 1 зона проводимости, 2 — валентная
зона, 3 — запрещенная зона.
У проводников запрещенная зона отсутствует. Как видно из рисунка,
зона проводимости и валет пая зона частично перекрываются. При
этом
образуется
свободная
зона,
имеющая
свободные
энергетические уровни. Электроны заполненных валентных уровней
могут легко переходить на близлежащие свободные энергетические
уровни. Это определяет возможность их перемещения под
действием
внешнего
электрического
поля
и
хорошую
электропроводность металлов.

Рисунок 2.

Полупроводники
характеризуются
как
свойствами
проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах
атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в
кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам
необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома
(1,76·10−19Дж против 11,2·10−19Дж, чем и характеризуется отличие
между полупроводниками и диэлектриками).
Эта энергия появляется в них при повышении температуры
(например, при комнатной температуре уровень энергии теплового
движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные атомы
получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом
температуры число свободных электронов и дырок увеличивается,
поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное
сопротивление уменьшается.
Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией
связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный
механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без
примесей)
полупроводников.
Он
называется
собственной
электрической проводимостью полупроводников.



По характеру проводимости.

Собственная проводимость.
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки»
появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь
кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью.
В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация
свободных электронов равняется концентрации «дырок».
Проводимость связана с подвижностью частиц следующим
соотношением:
где
- удельное сопротивление,
— подвижность электронов,
….. — подвижность дырок, — их концентрация, q — элементарный
электрический заряд (1,602·10−19 Кл).
Для собственного полупроводника концентрации носителей
совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость
Примесная проводимость полупроводников — электрическая
проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике
донорных или акцепторных примесей.
Примесная проводимость, как правило, намного превышает
собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников
определяются типом и количеством введенных в него легирующих
примесей.
Для создания полупроводниковых приборов часто используют
кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы
изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами
трехвалентного или пятивалентного химического элемента.



По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)
Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего
отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет
примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например,
кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например,
мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в
ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома
мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на
дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно
меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в
свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не
дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток
подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники,
вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются
донорными. Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего
положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников,
кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой
проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний)
добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента
(например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь
с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым
атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он
захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними
атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие
чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае,
называются акцепторными.
Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании
замечательных материалов с электронной или дырочной
проводимостью.
Широкое применение полупроводников началось сравнительно
недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они
преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и,
наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном
радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной
атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых
выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой
аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить
габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую
ими мощность и резко увеличить надежность.


Slide 3

Преподаватель Гребнева В.В.










Полупроводники.
Строение полупроводников и принцип их
действия.
Электропроводность проводников.
Механизм электрической проводимости
полупроводников
Виды полупроводников.
Использование полупроводников.

Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости
занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются
от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации
примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным
свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с
ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых
составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести
к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу
полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний,
селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических
соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества
окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе
полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его,
примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может
меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает,
в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи
температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники представляют собой особый класс кристаллов.
Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи. Такой
идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока
(при отсутствии освещения и радиационного облучения) .
Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с
атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении
температуры (T>0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут
разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома Такой электрон
является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше
концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше
удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления
полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации
носителей тока в нем.
В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых
веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере
электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое
место-«дырка» при воздействии электрическим полем на кристалл «дырка »
как положительный заряд, что фактически происходит благодаря разрыву
одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать
частицей, несущей положительный заряд.

Электропроводность полупроводников можно рассматривать с позиций
классической механики, то есть считать, что одновременно измеримы
координаты и импульс как электронов, так и дырок, и что можно
отслеживать движение каждого электрона и дырки индивидуально.
Показать это можно, рассмотрев функцию занятости состояний в случае
сравнительно узкой запрещенной зоны (см. рис.1). На нем штриховкой
отмечены занятые электронами состояния. Проанализировав зависимости,
изображенные на рис.1, можно сделать 2 вывода.
1. Первое, поскольку число электронов в зоне проводимости должно
равняться числу дырок в валентной зоне, то площади 1 и 2 должны быть
приблизительно равны (с малыми поправками на величины эффективных
масс электрона и дырки и трехмерное распределение состояний в
пространстве волновых векторов). Это достигается, если уровень Ферми
совпадает с серединой запрещенной зоны. Это утверждение можно доказать
и более строго (см. [1, 2, 3]).
2. Второе, так как
, то формула для вычисления
вероятности встретить электрон в зоне проводимости (и дырки в валентной
зоне) превращается в распределение Больцмана:

Рис. 1.
Распределение электронов по состояниям в полупроводнике

Это позволяет при описании поведения электронов и дырок
использовать классические подходы. Величину Е удобно отсчитывать от
верхнего края валентной зоны, что мы и будем подразумевать при
дальнейшем изложении.

Электропроводность полупроводников, как и других твердых
тел, определяется направленным движением электронов под
действием внешнего электрического поля. Существенные отличия
электропроводности
полупроводников
от
проводников
и
диэлектриков объясняется различием их энергетических диаграмм,
показанных на рис. 2. Здесь 1 зона проводимости, 2 — валентная
зона, 3 — запрещенная зона.
У проводников запрещенная зона отсутствует. Как видно из рисунка,
зона проводимости и валет пая зона частично перекрываются. При
этом
образуется
свободная
зона,
имеющая
свободные
энергетические уровни. Электроны заполненных валентных уровней
могут легко переходить на близлежащие свободные энергетические
уровни. Это определяет возможность их перемещения под
действием
внешнего
электрического
поля
и
хорошую
электропроводность металлов.

Рисунок 2.

Полупроводники
характеризуются
как
свойствами
проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах
атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в
кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам
необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома
(1,76·10−19Дж против 11,2·10−19Дж, чем и характеризуется отличие
между полупроводниками и диэлектриками).
Эта энергия появляется в них при повышении температуры
(например, при комнатной температуре уровень энергии теплового
движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные атомы
получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом
температуры число свободных электронов и дырок увеличивается,
поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное
сопротивление уменьшается.
Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией
связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный
механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без
примесей)
полупроводников.
Он
называется
собственной
электрической проводимостью полупроводников.



По характеру проводимости.

Собственная проводимость.
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки»
появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь
кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью.
В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация
свободных электронов равняется концентрации «дырок».
Проводимость связана с подвижностью частиц следующим
соотношением:
где
- удельное сопротивление,
— подвижность электронов,
….. — подвижность дырок, — их концентрация, q — элементарный
электрический заряд (1,602·10−19 Кл).
Для собственного полупроводника концентрации носителей
совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость
Примесная проводимость полупроводников — электрическая
проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике
донорных или акцепторных примесей.
Примесная проводимость, как правило, намного превышает
собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников
определяются типом и количеством введенных в него легирующих
примесей.
Для создания полупроводниковых приборов часто используют
кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы
изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами
трехвалентного или пятивалентного химического элемента.



По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)
Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего
отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет
примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например,
кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например,
мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в
ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома
мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на
дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно
меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в
свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не
дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток
подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники,
вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются
донорными. Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего
положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников,
кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой
проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний)
добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента
(например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь
с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым
атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он
захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними
атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие
чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае,
называются акцепторными.
Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании
замечательных материалов с электронной или дырочной
проводимостью.
Широкое применение полупроводников началось сравнительно
недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они
преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и,
наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном
радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной
атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых
выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой
аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить
габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую
ими мощность и резко увеличить надежность.


Slide 4

Преподаватель Гребнева В.В.










Полупроводники.
Строение полупроводников и принцип их
действия.
Электропроводность проводников.
Механизм электрической проводимости
полупроводников
Виды полупроводников.
Использование полупроводников.

Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости
занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются
от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации
примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным
свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с
ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых
составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести
к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу
полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний,
селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических
соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества
окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе
полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его,
примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может
меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает,
в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи
температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники представляют собой особый класс кристаллов.
Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи. Такой
идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока
(при отсутствии освещения и радиационного облучения) .
Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с
атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении
температуры (T>0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут
разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома Такой электрон
является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше
концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше
удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления
полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации
носителей тока в нем.
В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых
веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере
электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое
место-«дырка» при воздействии электрическим полем на кристалл «дырка »
как положительный заряд, что фактически происходит благодаря разрыву
одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать
частицей, несущей положительный заряд.

Электропроводность полупроводников можно рассматривать с позиций
классической механики, то есть считать, что одновременно измеримы
координаты и импульс как электронов, так и дырок, и что можно
отслеживать движение каждого электрона и дырки индивидуально.
Показать это можно, рассмотрев функцию занятости состояний в случае
сравнительно узкой запрещенной зоны (см. рис.1). На нем штриховкой
отмечены занятые электронами состояния. Проанализировав зависимости,
изображенные на рис.1, можно сделать 2 вывода.
1. Первое, поскольку число электронов в зоне проводимости должно
равняться числу дырок в валентной зоне, то площади 1 и 2 должны быть
приблизительно равны (с малыми поправками на величины эффективных
масс электрона и дырки и трехмерное распределение состояний в
пространстве волновых векторов). Это достигается, если уровень Ферми
совпадает с серединой запрещенной зоны. Это утверждение можно доказать
и более строго (см. [1, 2, 3]).
2. Второе, так как
, то формула для вычисления
вероятности встретить электрон в зоне проводимости (и дырки в валентной
зоне) превращается в распределение Больцмана:

Рис. 1.
Распределение электронов по состояниям в полупроводнике

Это позволяет при описании поведения электронов и дырок
использовать классические подходы. Величину Е удобно отсчитывать от
верхнего края валентной зоны, что мы и будем подразумевать при
дальнейшем изложении.

Электропроводность полупроводников, как и других твердых
тел, определяется направленным движением электронов под
действием внешнего электрического поля. Существенные отличия
электропроводности
полупроводников
от
проводников
и
диэлектриков объясняется различием их энергетических диаграмм,
показанных на рис. 2. Здесь 1 зона проводимости, 2 — валентная
зона, 3 — запрещенная зона.
У проводников запрещенная зона отсутствует. Как видно из рисунка,
зона проводимости и валет пая зона частично перекрываются. При
этом
образуется
свободная
зона,
имеющая
свободные
энергетические уровни. Электроны заполненных валентных уровней
могут легко переходить на близлежащие свободные энергетические
уровни. Это определяет возможность их перемещения под
действием
внешнего
электрического
поля
и
хорошую
электропроводность металлов.

Рисунок 2.

Полупроводники
характеризуются
как
свойствами
проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах
атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в
кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам
необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома
(1,76·10−19Дж против 11,2·10−19Дж, чем и характеризуется отличие
между полупроводниками и диэлектриками).
Эта энергия появляется в них при повышении температуры
(например, при комнатной температуре уровень энергии теплового
движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные атомы
получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом
температуры число свободных электронов и дырок увеличивается,
поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное
сопротивление уменьшается.
Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией
связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный
механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без
примесей)
полупроводников.
Он
называется
собственной
электрической проводимостью полупроводников.



По характеру проводимости.

Собственная проводимость.
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки»
появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь
кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью.
В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация
свободных электронов равняется концентрации «дырок».
Проводимость связана с подвижностью частиц следующим
соотношением:
где
- удельное сопротивление,
— подвижность электронов,
….. — подвижность дырок, — их концентрация, q — элементарный
электрический заряд (1,602·10−19 Кл).
Для собственного полупроводника концентрации носителей
совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость
Примесная проводимость полупроводников — электрическая
проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике
донорных или акцепторных примесей.
Примесная проводимость, как правило, намного превышает
собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников
определяются типом и количеством введенных в него легирующих
примесей.
Для создания полупроводниковых приборов часто используют
кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы
изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами
трехвалентного или пятивалентного химического элемента.



По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)
Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего
отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет
примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например,
кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например,
мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в
ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома
мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на
дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно
меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в
свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не
дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток
подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники,
вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются
донорными. Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего
положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников,
кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой
проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний)
добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента
(например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь
с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым
атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он
захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними
атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие
чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае,
называются акцепторными.
Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании
замечательных материалов с электронной или дырочной
проводимостью.
Широкое применение полупроводников началось сравнительно
недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они
преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и,
наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном
радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной
атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых
выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой
аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить
габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую
ими мощность и резко увеличить надежность.


Slide 5

Преподаватель Гребнева В.В.










Полупроводники.
Строение полупроводников и принцип их
действия.
Электропроводность проводников.
Механизм электрической проводимости
полупроводников
Виды полупроводников.
Использование полупроводников.

Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости
занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются
от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации
примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным
свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с
ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых
составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести
к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу
полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний,
селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических
соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества
окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе
полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его,
примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может
меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает,
в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи
температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники представляют собой особый класс кристаллов.
Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи. Такой
идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока
(при отсутствии освещения и радиационного облучения) .
Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с
атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении
температуры (T>0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут
разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома Такой электрон
является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше
концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше
удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления
полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации
носителей тока в нем.
В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых
веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере
электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое
место-«дырка» при воздействии электрическим полем на кристалл «дырка »
как положительный заряд, что фактически происходит благодаря разрыву
одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать
частицей, несущей положительный заряд.

Электропроводность полупроводников можно рассматривать с позиций
классической механики, то есть считать, что одновременно измеримы
координаты и импульс как электронов, так и дырок, и что можно
отслеживать движение каждого электрона и дырки индивидуально.
Показать это можно, рассмотрев функцию занятости состояний в случае
сравнительно узкой запрещенной зоны (см. рис.1). На нем штриховкой
отмечены занятые электронами состояния. Проанализировав зависимости,
изображенные на рис.1, можно сделать 2 вывода.
1. Первое, поскольку число электронов в зоне проводимости должно
равняться числу дырок в валентной зоне, то площади 1 и 2 должны быть
приблизительно равны (с малыми поправками на величины эффективных
масс электрона и дырки и трехмерное распределение состояний в
пространстве волновых векторов). Это достигается, если уровень Ферми
совпадает с серединой запрещенной зоны. Это утверждение можно доказать
и более строго (см. [1, 2, 3]).
2. Второе, так как
, то формула для вычисления
вероятности встретить электрон в зоне проводимости (и дырки в валентной
зоне) превращается в распределение Больцмана:

Рис. 1.
Распределение электронов по состояниям в полупроводнике

Это позволяет при описании поведения электронов и дырок
использовать классические подходы. Величину Е удобно отсчитывать от
верхнего края валентной зоны, что мы и будем подразумевать при
дальнейшем изложении.

Электропроводность полупроводников, как и других твердых
тел, определяется направленным движением электронов под
действием внешнего электрического поля. Существенные отличия
электропроводности
полупроводников
от
проводников
и
диэлектриков объясняется различием их энергетических диаграмм,
показанных на рис. 2. Здесь 1 зона проводимости, 2 — валентная
зона, 3 — запрещенная зона.
У проводников запрещенная зона отсутствует. Как видно из рисунка,
зона проводимости и валет пая зона частично перекрываются. При
этом
образуется
свободная
зона,
имеющая
свободные
энергетические уровни. Электроны заполненных валентных уровней
могут легко переходить на близлежащие свободные энергетические
уровни. Это определяет возможность их перемещения под
действием
внешнего
электрического
поля
и
хорошую
электропроводность металлов.

Рисунок 2.

Полупроводники
характеризуются
как
свойствами
проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах
атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в
кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам
необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома
(1,76·10−19Дж против 11,2·10−19Дж, чем и характеризуется отличие
между полупроводниками и диэлектриками).
Эта энергия появляется в них при повышении температуры
(например, при комнатной температуре уровень энергии теплового
движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные атомы
получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом
температуры число свободных электронов и дырок увеличивается,
поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное
сопротивление уменьшается.
Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией
связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный
механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без
примесей)
полупроводников.
Он
называется
собственной
электрической проводимостью полупроводников.



По характеру проводимости.

Собственная проводимость.
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки»
появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь
кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью.
В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация
свободных электронов равняется концентрации «дырок».
Проводимость связана с подвижностью частиц следующим
соотношением:
где
- удельное сопротивление,
— подвижность электронов,
….. — подвижность дырок, — их концентрация, q — элементарный
электрический заряд (1,602·10−19 Кл).
Для собственного полупроводника концентрации носителей
совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость
Примесная проводимость полупроводников — электрическая
проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике
донорных или акцепторных примесей.
Примесная проводимость, как правило, намного превышает
собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников
определяются типом и количеством введенных в него легирующих
примесей.
Для создания полупроводниковых приборов часто используют
кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы
изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами
трехвалентного или пятивалентного химического элемента.



По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)
Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего
отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет
примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например,
кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например,
мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в
ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома
мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на
дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно
меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в
свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не
дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток
подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники,
вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются
донорными. Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего
положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников,
кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой
проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний)
добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента
(например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь
с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым
атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он
захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними
атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие
чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае,
называются акцепторными.
Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании
замечательных материалов с электронной или дырочной
проводимостью.
Широкое применение полупроводников началось сравнительно
недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они
преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и,
наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном
радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной
атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых
выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой
аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить
габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую
ими мощность и резко увеличить надежность.


Slide 6

Преподаватель Гребнева В.В.










Полупроводники.
Строение полупроводников и принцип их
действия.
Электропроводность проводников.
Механизм электрической проводимости
полупроводников
Виды полупроводников.
Использование полупроводников.

Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости
занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются
от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации
примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным
свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с
ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых
составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести
к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу
полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний,
селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических
соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества
окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе
полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его,
примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может
меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает,
в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи
температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники представляют собой особый класс кристаллов.
Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи. Такой
идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока
(при отсутствии освещения и радиационного облучения) .
Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с
атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении
температуры (T>0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут
разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома Такой электрон
является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше
концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше
удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления
полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации
носителей тока в нем.
В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых
веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере
электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое
место-«дырка» при воздействии электрическим полем на кристалл «дырка »
как положительный заряд, что фактически происходит благодаря разрыву
одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать
частицей, несущей положительный заряд.

Электропроводность полупроводников можно рассматривать с позиций
классической механики, то есть считать, что одновременно измеримы
координаты и импульс как электронов, так и дырок, и что можно
отслеживать движение каждого электрона и дырки индивидуально.
Показать это можно, рассмотрев функцию занятости состояний в случае
сравнительно узкой запрещенной зоны (см. рис.1). На нем штриховкой
отмечены занятые электронами состояния. Проанализировав зависимости,
изображенные на рис.1, можно сделать 2 вывода.
1. Первое, поскольку число электронов в зоне проводимости должно
равняться числу дырок в валентной зоне, то площади 1 и 2 должны быть
приблизительно равны (с малыми поправками на величины эффективных
масс электрона и дырки и трехмерное распределение состояний в
пространстве волновых векторов). Это достигается, если уровень Ферми
совпадает с серединой запрещенной зоны. Это утверждение можно доказать
и более строго (см. [1, 2, 3]).
2. Второе, так как
, то формула для вычисления
вероятности встретить электрон в зоне проводимости (и дырки в валентной
зоне) превращается в распределение Больцмана:

Рис. 1.
Распределение электронов по состояниям в полупроводнике

Это позволяет при описании поведения электронов и дырок
использовать классические подходы. Величину Е удобно отсчитывать от
верхнего края валентной зоны, что мы и будем подразумевать при
дальнейшем изложении.

Электропроводность полупроводников, как и других твердых
тел, определяется направленным движением электронов под
действием внешнего электрического поля. Существенные отличия
электропроводности
полупроводников
от
проводников
и
диэлектриков объясняется различием их энергетических диаграмм,
показанных на рис. 2. Здесь 1 зона проводимости, 2 — валентная
зона, 3 — запрещенная зона.
У проводников запрещенная зона отсутствует. Как видно из рисунка,
зона проводимости и валет пая зона частично перекрываются. При
этом
образуется
свободная
зона,
имеющая
свободные
энергетические уровни. Электроны заполненных валентных уровней
могут легко переходить на близлежащие свободные энергетические
уровни. Это определяет возможность их перемещения под
действием
внешнего
электрического
поля
и
хорошую
электропроводность металлов.

Рисунок 2.

Полупроводники
характеризуются
как
свойствами
проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах
атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в
кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам
необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома
(1,76·10−19Дж против 11,2·10−19Дж, чем и характеризуется отличие
между полупроводниками и диэлектриками).
Эта энергия появляется в них при повышении температуры
(например, при комнатной температуре уровень энергии теплового
движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные атомы
получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом
температуры число свободных электронов и дырок увеличивается,
поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное
сопротивление уменьшается.
Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией
связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный
механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без
примесей)
полупроводников.
Он
называется
собственной
электрической проводимостью полупроводников.



По характеру проводимости.

Собственная проводимость.
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки»
появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь
кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью.
В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация
свободных электронов равняется концентрации «дырок».
Проводимость связана с подвижностью частиц следующим
соотношением:
где
- удельное сопротивление,
— подвижность электронов,
….. — подвижность дырок, — их концентрация, q — элементарный
электрический заряд (1,602·10−19 Кл).
Для собственного полупроводника концентрации носителей
совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость
Примесная проводимость полупроводников — электрическая
проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике
донорных или акцепторных примесей.
Примесная проводимость, как правило, намного превышает
собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников
определяются типом и количеством введенных в него легирующих
примесей.
Для создания полупроводниковых приборов часто используют
кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы
изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами
трехвалентного или пятивалентного химического элемента.



По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)
Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего
отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет
примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например,
кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например,
мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в
ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома
мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на
дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно
меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в
свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не
дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток
подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники,
вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются
донорными. Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего
положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников,
кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой
проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний)
добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента
(например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь
с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым
атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он
захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними
атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие
чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае,
называются акцепторными.
Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании
замечательных материалов с электронной или дырочной
проводимостью.
Широкое применение полупроводников началось сравнительно
недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они
преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и,
наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном
радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной
атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых
выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой
аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить
габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую
ими мощность и резко увеличить надежность.


Slide 7

Преподаватель Гребнева В.В.










Полупроводники.
Строение полупроводников и принцип их
действия.
Электропроводность проводников.
Механизм электрической проводимости
полупроводников
Виды полупроводников.
Использование полупроводников.

Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости
занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются
от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации
примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным
свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с
ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых
составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести
к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу
полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний,
селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических
соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества
окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе
полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его,
примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может
меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает,
в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи
температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники представляют собой особый класс кристаллов.
Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи. Такой
идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока
(при отсутствии освещения и радиационного облучения) .
Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с
атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении
температуры (T>0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут
разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома Такой электрон
является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше
концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше
удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления
полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации
носителей тока в нем.
В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых
веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере
электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое
место-«дырка» при воздействии электрическим полем на кристалл «дырка »
как положительный заряд, что фактически происходит благодаря разрыву
одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать
частицей, несущей положительный заряд.

Электропроводность полупроводников можно рассматривать с позиций
классической механики, то есть считать, что одновременно измеримы
координаты и импульс как электронов, так и дырок, и что можно
отслеживать движение каждого электрона и дырки индивидуально.
Показать это можно, рассмотрев функцию занятости состояний в случае
сравнительно узкой запрещенной зоны (см. рис.1). На нем штриховкой
отмечены занятые электронами состояния. Проанализировав зависимости,
изображенные на рис.1, можно сделать 2 вывода.
1. Первое, поскольку число электронов в зоне проводимости должно
равняться числу дырок в валентной зоне, то площади 1 и 2 должны быть
приблизительно равны (с малыми поправками на величины эффективных
масс электрона и дырки и трехмерное распределение состояний в
пространстве волновых векторов). Это достигается, если уровень Ферми
совпадает с серединой запрещенной зоны. Это утверждение можно доказать
и более строго (см. [1, 2, 3]).
2. Второе, так как
, то формула для вычисления
вероятности встретить электрон в зоне проводимости (и дырки в валентной
зоне) превращается в распределение Больцмана:

Рис. 1.
Распределение электронов по состояниям в полупроводнике

Это позволяет при описании поведения электронов и дырок
использовать классические подходы. Величину Е удобно отсчитывать от
верхнего края валентной зоны, что мы и будем подразумевать при
дальнейшем изложении.

Электропроводность полупроводников, как и других твердых
тел, определяется направленным движением электронов под
действием внешнего электрического поля. Существенные отличия
электропроводности
полупроводников
от
проводников
и
диэлектриков объясняется различием их энергетических диаграмм,
показанных на рис. 2. Здесь 1 зона проводимости, 2 — валентная
зона, 3 — запрещенная зона.
У проводников запрещенная зона отсутствует. Как видно из рисунка,
зона проводимости и валет пая зона частично перекрываются. При
этом
образуется
свободная
зона,
имеющая
свободные
энергетические уровни. Электроны заполненных валентных уровней
могут легко переходить на близлежащие свободные энергетические
уровни. Это определяет возможность их перемещения под
действием
внешнего
электрического
поля
и
хорошую
электропроводность металлов.

Рисунок 2.

Полупроводники
характеризуются
как
свойствами
проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах
атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в
кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам
необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома
(1,76·10−19Дж против 11,2·10−19Дж, чем и характеризуется отличие
между полупроводниками и диэлектриками).
Эта энергия появляется в них при повышении температуры
(например, при комнатной температуре уровень энергии теплового
движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные атомы
получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом
температуры число свободных электронов и дырок увеличивается,
поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное
сопротивление уменьшается.
Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией
связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный
механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без
примесей)
полупроводников.
Он
называется
собственной
электрической проводимостью полупроводников.



По характеру проводимости.

Собственная проводимость.
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки»
появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь
кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью.
В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация
свободных электронов равняется концентрации «дырок».
Проводимость связана с подвижностью частиц следующим
соотношением:
где
- удельное сопротивление,
— подвижность электронов,
….. — подвижность дырок, — их концентрация, q — элементарный
электрический заряд (1,602·10−19 Кл).
Для собственного полупроводника концентрации носителей
совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость
Примесная проводимость полупроводников — электрическая
проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике
донорных или акцепторных примесей.
Примесная проводимость, как правило, намного превышает
собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников
определяются типом и количеством введенных в него легирующих
примесей.
Для создания полупроводниковых приборов часто используют
кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы
изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами
трехвалентного или пятивалентного химического элемента.



По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)
Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего
отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет
примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например,
кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например,
мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в
ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома
мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на
дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно
меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в
свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не
дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток
подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники,
вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются
донорными. Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего
положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников,
кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой
проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний)
добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента
(например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь
с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым
атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он
захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними
атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие
чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае,
называются акцепторными.
Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании
замечательных материалов с электронной или дырочной
проводимостью.
Широкое применение полупроводников началось сравнительно
недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они
преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и,
наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном
радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной
атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых
выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой
аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить
габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую
ими мощность и резко увеличить надежность.


Slide 8

Преподаватель Гребнева В.В.










Полупроводники.
Строение полупроводников и принцип их
действия.
Электропроводность проводников.
Механизм электрической проводимости
полупроводников
Виды полупроводников.
Использование полупроводников.

Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости
занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются
от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации
примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным
свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с
ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых
составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести
к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу
полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний,
селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических
соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества
окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе
полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его,
примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может
меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает,
в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи
температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники представляют собой особый класс кристаллов.
Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи. Такой
идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока
(при отсутствии освещения и радиационного облучения) .
Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с
атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении
температуры (T>0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут
разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома Такой электрон
является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше
концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше
удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления
полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации
носителей тока в нем.
В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых
веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере
электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое
место-«дырка» при воздействии электрическим полем на кристалл «дырка »
как положительный заряд, что фактически происходит благодаря разрыву
одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать
частицей, несущей положительный заряд.

Электропроводность полупроводников можно рассматривать с позиций
классической механики, то есть считать, что одновременно измеримы
координаты и импульс как электронов, так и дырок, и что можно
отслеживать движение каждого электрона и дырки индивидуально.
Показать это можно, рассмотрев функцию занятости состояний в случае
сравнительно узкой запрещенной зоны (см. рис.1). На нем штриховкой
отмечены занятые электронами состояния. Проанализировав зависимости,
изображенные на рис.1, можно сделать 2 вывода.
1. Первое, поскольку число электронов в зоне проводимости должно
равняться числу дырок в валентной зоне, то площади 1 и 2 должны быть
приблизительно равны (с малыми поправками на величины эффективных
масс электрона и дырки и трехмерное распределение состояний в
пространстве волновых векторов). Это достигается, если уровень Ферми
совпадает с серединой запрещенной зоны. Это утверждение можно доказать
и более строго (см. [1, 2, 3]).
2. Второе, так как
, то формула для вычисления
вероятности встретить электрон в зоне проводимости (и дырки в валентной
зоне) превращается в распределение Больцмана:

Рис. 1.
Распределение электронов по состояниям в полупроводнике

Это позволяет при описании поведения электронов и дырок
использовать классические подходы. Величину Е удобно отсчитывать от
верхнего края валентной зоны, что мы и будем подразумевать при
дальнейшем изложении.

Электропроводность полупроводников, как и других твердых
тел, определяется направленным движением электронов под
действием внешнего электрического поля. Существенные отличия
электропроводности
полупроводников
от
проводников
и
диэлектриков объясняется различием их энергетических диаграмм,
показанных на рис. 2. Здесь 1 зона проводимости, 2 — валентная
зона, 3 — запрещенная зона.
У проводников запрещенная зона отсутствует. Как видно из рисунка,
зона проводимости и валет пая зона частично перекрываются. При
этом
образуется
свободная
зона,
имеющая
свободные
энергетические уровни. Электроны заполненных валентных уровней
могут легко переходить на близлежащие свободные энергетические
уровни. Это определяет возможность их перемещения под
действием
внешнего
электрического
поля
и
хорошую
электропроводность металлов.

Рисунок 2.

Полупроводники
характеризуются
как
свойствами
проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах
атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в
кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам
необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома
(1,76·10−19Дж против 11,2·10−19Дж, чем и характеризуется отличие
между полупроводниками и диэлектриками).
Эта энергия появляется в них при повышении температуры
(например, при комнатной температуре уровень энергии теплового
движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные атомы
получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом
температуры число свободных электронов и дырок увеличивается,
поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное
сопротивление уменьшается.
Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией
связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный
механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без
примесей)
полупроводников.
Он
называется
собственной
электрической проводимостью полупроводников.



По характеру проводимости.

Собственная проводимость.
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки»
появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь
кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью.
В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация
свободных электронов равняется концентрации «дырок».
Проводимость связана с подвижностью частиц следующим
соотношением:
где
- удельное сопротивление,
— подвижность электронов,
….. — подвижность дырок, — их концентрация, q — элементарный
электрический заряд (1,602·10−19 Кл).
Для собственного полупроводника концентрации носителей
совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость
Примесная проводимость полупроводников — электрическая
проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике
донорных или акцепторных примесей.
Примесная проводимость, как правило, намного превышает
собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников
определяются типом и количеством введенных в него легирующих
примесей.
Для создания полупроводниковых приборов часто используют
кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы
изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами
трехвалентного или пятивалентного химического элемента.



По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)
Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего
отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет
примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например,
кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например,
мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в
ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома
мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на
дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно
меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в
свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не
дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток
подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники,
вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются
донорными. Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего
положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников,
кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой
проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний)
добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента
(например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь
с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым
атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он
захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними
атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие
чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае,
называются акцепторными.
Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании
замечательных материалов с электронной или дырочной
проводимостью.
Широкое применение полупроводников началось сравнительно
недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они
преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и,
наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном
радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной
атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых
выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой
аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить
габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую
ими мощность и резко увеличить надежность.


Slide 9

Преподаватель Гребнева В.В.










Полупроводники.
Строение полупроводников и принцип их
действия.
Электропроводность проводников.
Механизм электрической проводимости
полупроводников
Виды полупроводников.
Использование полупроводников.

Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости
занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются
от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации
примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным
свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с
ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых
составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести
к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу
полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний,
селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических
соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества
окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе
полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его,
примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может
меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает,
в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи
температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники представляют собой особый класс кристаллов.
Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи. Такой
идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока
(при отсутствии освещения и радиационного облучения) .
Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с
атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении
температуры (T>0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут
разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома Такой электрон
является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше
концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше
удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления
полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации
носителей тока в нем.
В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых
веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере
электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое
место-«дырка» при воздействии электрическим полем на кристалл «дырка »
как положительный заряд, что фактически происходит благодаря разрыву
одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать
частицей, несущей положительный заряд.

Электропроводность полупроводников можно рассматривать с позиций
классической механики, то есть считать, что одновременно измеримы
координаты и импульс как электронов, так и дырок, и что можно
отслеживать движение каждого электрона и дырки индивидуально.
Показать это можно, рассмотрев функцию занятости состояний в случае
сравнительно узкой запрещенной зоны (см. рис.1). На нем штриховкой
отмечены занятые электронами состояния. Проанализировав зависимости,
изображенные на рис.1, можно сделать 2 вывода.
1. Первое, поскольку число электронов в зоне проводимости должно
равняться числу дырок в валентной зоне, то площади 1 и 2 должны быть
приблизительно равны (с малыми поправками на величины эффективных
масс электрона и дырки и трехмерное распределение состояний в
пространстве волновых векторов). Это достигается, если уровень Ферми
совпадает с серединой запрещенной зоны. Это утверждение можно доказать
и более строго (см. [1, 2, 3]).
2. Второе, так как
, то формула для вычисления
вероятности встретить электрон в зоне проводимости (и дырки в валентной
зоне) превращается в распределение Больцмана:

Рис. 1.
Распределение электронов по состояниям в полупроводнике

Это позволяет при описании поведения электронов и дырок
использовать классические подходы. Величину Е удобно отсчитывать от
верхнего края валентной зоны, что мы и будем подразумевать при
дальнейшем изложении.

Электропроводность полупроводников, как и других твердых
тел, определяется направленным движением электронов под
действием внешнего электрического поля. Существенные отличия
электропроводности
полупроводников
от
проводников
и
диэлектриков объясняется различием их энергетических диаграмм,
показанных на рис. 2. Здесь 1 зона проводимости, 2 — валентная
зона, 3 — запрещенная зона.
У проводников запрещенная зона отсутствует. Как видно из рисунка,
зона проводимости и валет пая зона частично перекрываются. При
этом
образуется
свободная
зона,
имеющая
свободные
энергетические уровни. Электроны заполненных валентных уровней
могут легко переходить на близлежащие свободные энергетические
уровни. Это определяет возможность их перемещения под
действием
внешнего
электрического
поля
и
хорошую
электропроводность металлов.

Рисунок 2.

Полупроводники
характеризуются
как
свойствами
проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах
атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в
кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам
необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома
(1,76·10−19Дж против 11,2·10−19Дж, чем и характеризуется отличие
между полупроводниками и диэлектриками).
Эта энергия появляется в них при повышении температуры
(например, при комнатной температуре уровень энергии теплового
движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные атомы
получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом
температуры число свободных электронов и дырок увеличивается,
поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное
сопротивление уменьшается.
Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией
связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный
механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без
примесей)
полупроводников.
Он
называется
собственной
электрической проводимостью полупроводников.



По характеру проводимости.

Собственная проводимость.
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки»
появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь
кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью.
В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация
свободных электронов равняется концентрации «дырок».
Проводимость связана с подвижностью частиц следующим
соотношением:
где
- удельное сопротивление,
— подвижность электронов,
….. — подвижность дырок, — их концентрация, q — элементарный
электрический заряд (1,602·10−19 Кл).
Для собственного полупроводника концентрации носителей
совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость
Примесная проводимость полупроводников — электрическая
проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике
донорных или акцепторных примесей.
Примесная проводимость, как правило, намного превышает
собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников
определяются типом и количеством введенных в него легирующих
примесей.
Для создания полупроводниковых приборов часто используют
кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы
изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами
трехвалентного или пятивалентного химического элемента.



По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)
Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего
отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет
примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например,
кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например,
мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в
ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома
мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на
дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно
меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в
свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не
дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток
подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники,
вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются
донорными. Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего
положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников,
кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой
проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний)
добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента
(например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь
с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым
атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он
захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними
атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие
чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае,
называются акцепторными.
Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании
замечательных материалов с электронной или дырочной
проводимостью.
Широкое применение полупроводников началось сравнительно
недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они
преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и,
наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном
радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной
атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых
выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой
аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить
габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую
ими мощность и резко увеличить надежность.


Slide 10

Преподаватель Гребнева В.В.










Полупроводники.
Строение полупроводников и принцип их
действия.
Электропроводность проводников.
Механизм электрической проводимости
полупроводников
Виды полупроводников.
Использование полупроводников.

Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости
занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются
от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации
примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным
свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с
ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых
составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести
к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу
полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний,
селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических
соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества
окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе
полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его,
примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может
меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает,
в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи
температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники представляют собой особый класс кристаллов.
Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи. Такой
идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока
(при отсутствии освещения и радиационного облучения) .
Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с
атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении
температуры (T>0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут
разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома Такой электрон
является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше
концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше
удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления
полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации
носителей тока в нем.
В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых
веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере
электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое
место-«дырка» при воздействии электрическим полем на кристалл «дырка »
как положительный заряд, что фактически происходит благодаря разрыву
одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать
частицей, несущей положительный заряд.

Электропроводность полупроводников можно рассматривать с позиций
классической механики, то есть считать, что одновременно измеримы
координаты и импульс как электронов, так и дырок, и что можно
отслеживать движение каждого электрона и дырки индивидуально.
Показать это можно, рассмотрев функцию занятости состояний в случае
сравнительно узкой запрещенной зоны (см. рис.1). На нем штриховкой
отмечены занятые электронами состояния. Проанализировав зависимости,
изображенные на рис.1, можно сделать 2 вывода.
1. Первое, поскольку число электронов в зоне проводимости должно
равняться числу дырок в валентной зоне, то площади 1 и 2 должны быть
приблизительно равны (с малыми поправками на величины эффективных
масс электрона и дырки и трехмерное распределение состояний в
пространстве волновых векторов). Это достигается, если уровень Ферми
совпадает с серединой запрещенной зоны. Это утверждение можно доказать
и более строго (см. [1, 2, 3]).
2. Второе, так как
, то формула для вычисления
вероятности встретить электрон в зоне проводимости (и дырки в валентной
зоне) превращается в распределение Больцмана:

Рис. 1.
Распределение электронов по состояниям в полупроводнике

Это позволяет при описании поведения электронов и дырок
использовать классические подходы. Величину Е удобно отсчитывать от
верхнего края валентной зоны, что мы и будем подразумевать при
дальнейшем изложении.

Электропроводность полупроводников, как и других твердых
тел, определяется направленным движением электронов под
действием внешнего электрического поля. Существенные отличия
электропроводности
полупроводников
от
проводников
и
диэлектриков объясняется различием их энергетических диаграмм,
показанных на рис. 2. Здесь 1 зона проводимости, 2 — валентная
зона, 3 — запрещенная зона.
У проводников запрещенная зона отсутствует. Как видно из рисунка,
зона проводимости и валет пая зона частично перекрываются. При
этом
образуется
свободная
зона,
имеющая
свободные
энергетические уровни. Электроны заполненных валентных уровней
могут легко переходить на близлежащие свободные энергетические
уровни. Это определяет возможность их перемещения под
действием
внешнего
электрического
поля
и
хорошую
электропроводность металлов.

Рисунок 2.

Полупроводники
характеризуются
как
свойствами
проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах
атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в
кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам
необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома
(1,76·10−19Дж против 11,2·10−19Дж, чем и характеризуется отличие
между полупроводниками и диэлектриками).
Эта энергия появляется в них при повышении температуры
(например, при комнатной температуре уровень энергии теплового
движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные атомы
получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом
температуры число свободных электронов и дырок увеличивается,
поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное
сопротивление уменьшается.
Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией
связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный
механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без
примесей)
полупроводников.
Он
называется
собственной
электрической проводимостью полупроводников.



По характеру проводимости.

Собственная проводимость.
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки»
появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь
кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью.
В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация
свободных электронов равняется концентрации «дырок».
Проводимость связана с подвижностью частиц следующим
соотношением:
где
- удельное сопротивление,
— подвижность электронов,
….. — подвижность дырок, — их концентрация, q — элементарный
электрический заряд (1,602·10−19 Кл).
Для собственного полупроводника концентрации носителей
совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость
Примесная проводимость полупроводников — электрическая
проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике
донорных или акцепторных примесей.
Примесная проводимость, как правило, намного превышает
собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников
определяются типом и количеством введенных в него легирующих
примесей.
Для создания полупроводниковых приборов часто используют
кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы
изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами
трехвалентного или пятивалентного химического элемента.



По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)
Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего
отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет
примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например,
кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например,
мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в
ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома
мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на
дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно
меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в
свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не
дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток
подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники,
вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются
донорными. Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего
положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников,
кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой
проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний)
добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента
(например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь
с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым
атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он
захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними
атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие
чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае,
называются акцепторными.
Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании
замечательных материалов с электронной или дырочной
проводимостью.
Широкое применение полупроводников началось сравнительно
недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они
преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и,
наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном
радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной
атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых
выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой
аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить
габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую
ими мощность и резко увеличить надежность.


Slide 11

Преподаватель Гребнева В.В.










Полупроводники.
Строение полупроводников и принцип их
действия.
Электропроводность проводников.
Механизм электрической проводимости
полупроводников
Виды полупроводников.
Использование полупроводников.

Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости
занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются
от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации
примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным
свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с
ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых
составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести
к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу
полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний,
селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических
соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества
окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе
полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его,
примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может
меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает,
в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи
температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники представляют собой особый класс кристаллов.
Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи. Такой
идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока
(при отсутствии освещения и радиационного облучения) .
Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с
атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении
температуры (T>0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут
разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома Такой электрон
является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше
концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше
удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления
полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации
носителей тока в нем.
В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых
веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере
электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое
место-«дырка» при воздействии электрическим полем на кристалл «дырка »
как положительный заряд, что фактически происходит благодаря разрыву
одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать
частицей, несущей положительный заряд.

Электропроводность полупроводников можно рассматривать с позиций
классической механики, то есть считать, что одновременно измеримы
координаты и импульс как электронов, так и дырок, и что можно
отслеживать движение каждого электрона и дырки индивидуально.
Показать это можно, рассмотрев функцию занятости состояний в случае
сравнительно узкой запрещенной зоны (см. рис.1). На нем штриховкой
отмечены занятые электронами состояния. Проанализировав зависимости,
изображенные на рис.1, можно сделать 2 вывода.
1. Первое, поскольку число электронов в зоне проводимости должно
равняться числу дырок в валентной зоне, то площади 1 и 2 должны быть
приблизительно равны (с малыми поправками на величины эффективных
масс электрона и дырки и трехмерное распределение состояний в
пространстве волновых векторов). Это достигается, если уровень Ферми
совпадает с серединой запрещенной зоны. Это утверждение можно доказать
и более строго (см. [1, 2, 3]).
2. Второе, так как
, то формула для вычисления
вероятности встретить электрон в зоне проводимости (и дырки в валентной
зоне) превращается в распределение Больцмана:

Рис. 1.
Распределение электронов по состояниям в полупроводнике

Это позволяет при описании поведения электронов и дырок
использовать классические подходы. Величину Е удобно отсчитывать от
верхнего края валентной зоны, что мы и будем подразумевать при
дальнейшем изложении.

Электропроводность полупроводников, как и других твердых
тел, определяется направленным движением электронов под
действием внешнего электрического поля. Существенные отличия
электропроводности
полупроводников
от
проводников
и
диэлектриков объясняется различием их энергетических диаграмм,
показанных на рис. 2. Здесь 1 зона проводимости, 2 — валентная
зона, 3 — запрещенная зона.
У проводников запрещенная зона отсутствует. Как видно из рисунка,
зона проводимости и валет пая зона частично перекрываются. При
этом
образуется
свободная
зона,
имеющая
свободные
энергетические уровни. Электроны заполненных валентных уровней
могут легко переходить на близлежащие свободные энергетические
уровни. Это определяет возможность их перемещения под
действием
внешнего
электрического
поля
и
хорошую
электропроводность металлов.

Рисунок 2.

Полупроводники
характеризуются
как
свойствами
проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах
атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в
кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам
необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома
(1,76·10−19Дж против 11,2·10−19Дж, чем и характеризуется отличие
между полупроводниками и диэлектриками).
Эта энергия появляется в них при повышении температуры
(например, при комнатной температуре уровень энергии теплового
движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные атомы
получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом
температуры число свободных электронов и дырок увеличивается,
поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное
сопротивление уменьшается.
Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией
связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный
механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без
примесей)
полупроводников.
Он
называется
собственной
электрической проводимостью полупроводников.



По характеру проводимости.

Собственная проводимость.
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки»
появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь
кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью.
В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация
свободных электронов равняется концентрации «дырок».
Проводимость связана с подвижностью частиц следующим
соотношением:
где
- удельное сопротивление,
— подвижность электронов,
….. — подвижность дырок, — их концентрация, q — элементарный
электрический заряд (1,602·10−19 Кл).
Для собственного полупроводника концентрации носителей
совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость
Примесная проводимость полупроводников — электрическая
проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике
донорных или акцепторных примесей.
Примесная проводимость, как правило, намного превышает
собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников
определяются типом и количеством введенных в него легирующих
примесей.
Для создания полупроводниковых приборов часто используют
кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы
изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами
трехвалентного или пятивалентного химического элемента.



По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)
Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего
отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет
примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например,
кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например,
мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в
ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома
мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на
дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно
меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в
свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не
дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток
подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники,
вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются
донорными. Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего
положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников,
кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой
проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний)
добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента
(например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь
с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым
атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он
захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними
атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие
чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае,
называются акцепторными.
Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании
замечательных материалов с электронной или дырочной
проводимостью.
Широкое применение полупроводников началось сравнительно
недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они
преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и,
наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном
радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной
атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых
выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой
аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить
габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую
ими мощность и резко увеличить надежность.


Slide 12

Преподаватель Гребнева В.В.










Полупроводники.
Строение полупроводников и принцип их
действия.
Электропроводность проводников.
Механизм электрической проводимости
полупроводников
Виды полупроводников.
Использование полупроводников.

Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости
занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются
от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации
примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным
свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с
ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых
составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести
к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу
полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний,
селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических
соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества
окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе
полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его,
примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может
меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает,
в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи
температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники представляют собой особый класс кристаллов.
Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи. Такой
идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока
(при отсутствии освещения и радиационного облучения) .
Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с
атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении
температуры (T>0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут
разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома Такой электрон
является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше
концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше
удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления
полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации
носителей тока в нем.
В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых
веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере
электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое
место-«дырка» при воздействии электрическим полем на кристалл «дырка »
как положительный заряд, что фактически происходит благодаря разрыву
одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать
частицей, несущей положительный заряд.

Электропроводность полупроводников можно рассматривать с позиций
классической механики, то есть считать, что одновременно измеримы
координаты и импульс как электронов, так и дырок, и что можно
отслеживать движение каждого электрона и дырки индивидуально.
Показать это можно, рассмотрев функцию занятости состояний в случае
сравнительно узкой запрещенной зоны (см. рис.1). На нем штриховкой
отмечены занятые электронами состояния. Проанализировав зависимости,
изображенные на рис.1, можно сделать 2 вывода.
1. Первое, поскольку число электронов в зоне проводимости должно
равняться числу дырок в валентной зоне, то площади 1 и 2 должны быть
приблизительно равны (с малыми поправками на величины эффективных
масс электрона и дырки и трехмерное распределение состояний в
пространстве волновых векторов). Это достигается, если уровень Ферми
совпадает с серединой запрещенной зоны. Это утверждение можно доказать
и более строго (см. [1, 2, 3]).
2. Второе, так как
, то формула для вычисления
вероятности встретить электрон в зоне проводимости (и дырки в валентной
зоне) превращается в распределение Больцмана:

Рис. 1.
Распределение электронов по состояниям в полупроводнике

Это позволяет при описании поведения электронов и дырок
использовать классические подходы. Величину Е удобно отсчитывать от
верхнего края валентной зоны, что мы и будем подразумевать при
дальнейшем изложении.

Электропроводность полупроводников, как и других твердых
тел, определяется направленным движением электронов под
действием внешнего электрического поля. Существенные отличия
электропроводности
полупроводников
от
проводников
и
диэлектриков объясняется различием их энергетических диаграмм,
показанных на рис. 2. Здесь 1 зона проводимости, 2 — валентная
зона, 3 — запрещенная зона.
У проводников запрещенная зона отсутствует. Как видно из рисунка,
зона проводимости и валет пая зона частично перекрываются. При
этом
образуется
свободная
зона,
имеющая
свободные
энергетические уровни. Электроны заполненных валентных уровней
могут легко переходить на близлежащие свободные энергетические
уровни. Это определяет возможность их перемещения под
действием
внешнего
электрического
поля
и
хорошую
электропроводность металлов.

Рисунок 2.

Полупроводники
характеризуются
как
свойствами
проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах
атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в
кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам
необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома
(1,76·10−19Дж против 11,2·10−19Дж, чем и характеризуется отличие
между полупроводниками и диэлектриками).
Эта энергия появляется в них при повышении температуры
(например, при комнатной температуре уровень энергии теплового
движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные атомы
получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом
температуры число свободных электронов и дырок увеличивается,
поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное
сопротивление уменьшается.
Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией
связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный
механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без
примесей)
полупроводников.
Он
называется
собственной
электрической проводимостью полупроводников.



По характеру проводимости.

Собственная проводимость.
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки»
появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь
кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью.
В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация
свободных электронов равняется концентрации «дырок».
Проводимость связана с подвижностью частиц следующим
соотношением:
где
- удельное сопротивление,
— подвижность электронов,
….. — подвижность дырок, — их концентрация, q — элементарный
электрический заряд (1,602·10−19 Кл).
Для собственного полупроводника концентрации носителей
совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость
Примесная проводимость полупроводников — электрическая
проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике
донорных или акцепторных примесей.
Примесная проводимость, как правило, намного превышает
собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников
определяются типом и количеством введенных в него легирующих
примесей.
Для создания полупроводниковых приборов часто используют
кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы
изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами
трехвалентного или пятивалентного химического элемента.



По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)
Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего
отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет
примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например,
кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например,
мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в
ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома
мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на
дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно
меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в
свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не
дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток
подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники,
вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются
донорными. Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего
положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников,
кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой
проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний)
добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента
(например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь
с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым
атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он
захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними
атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие
чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае,
называются акцепторными.
Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании
замечательных материалов с электронной или дырочной
проводимостью.
Широкое применение полупроводников началось сравнительно
недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они
преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и,
наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном
радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной
атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых
выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой
аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить
габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую
ими мощность и резко увеличить надежность.


Slide 13

Преподаватель Гребнева В.В.










Полупроводники.
Строение полупроводников и принцип их
действия.
Электропроводность проводников.
Механизм электрической проводимости
полупроводников
Виды полупроводников.
Использование полупроводников.

Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости
занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются
от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации
примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным
свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с
ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых
составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести
к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу
полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний,
селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических
соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества
окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе
полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его,
примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может
меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает,
в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи
температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники представляют собой особый класс кристаллов.
Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи. Такой
идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока
(при отсутствии освещения и радиационного облучения) .
Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с
атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении
температуры (T>0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут
разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома Такой электрон
является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше
концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше
удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления
полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации
носителей тока в нем.
В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых
веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере
электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое
место-«дырка» при воздействии электрическим полем на кристалл «дырка »
как положительный заряд, что фактически происходит благодаря разрыву
одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать
частицей, несущей положительный заряд.

Электропроводность полупроводников можно рассматривать с позиций
классической механики, то есть считать, что одновременно измеримы
координаты и импульс как электронов, так и дырок, и что можно
отслеживать движение каждого электрона и дырки индивидуально.
Показать это можно, рассмотрев функцию занятости состояний в случае
сравнительно узкой запрещенной зоны (см. рис.1). На нем штриховкой
отмечены занятые электронами состояния. Проанализировав зависимости,
изображенные на рис.1, можно сделать 2 вывода.
1. Первое, поскольку число электронов в зоне проводимости должно
равняться числу дырок в валентной зоне, то площади 1 и 2 должны быть
приблизительно равны (с малыми поправками на величины эффективных
масс электрона и дырки и трехмерное распределение состояний в
пространстве волновых векторов). Это достигается, если уровень Ферми
совпадает с серединой запрещенной зоны. Это утверждение можно доказать
и более строго (см. [1, 2, 3]).
2. Второе, так как
, то формула для вычисления
вероятности встретить электрон в зоне проводимости (и дырки в валентной
зоне) превращается в распределение Больцмана:

Рис. 1.
Распределение электронов по состояниям в полупроводнике

Это позволяет при описании поведения электронов и дырок
использовать классические подходы. Величину Е удобно отсчитывать от
верхнего края валентной зоны, что мы и будем подразумевать при
дальнейшем изложении.

Электропроводность полупроводников, как и других твердых
тел, определяется направленным движением электронов под
действием внешнего электрического поля. Существенные отличия
электропроводности
полупроводников
от
проводников
и
диэлектриков объясняется различием их энергетических диаграмм,
показанных на рис. 2. Здесь 1 зона проводимости, 2 — валентная
зона, 3 — запрещенная зона.
У проводников запрещенная зона отсутствует. Как видно из рисунка,
зона проводимости и валет пая зона частично перекрываются. При
этом
образуется
свободная
зона,
имеющая
свободные
энергетические уровни. Электроны заполненных валентных уровней
могут легко переходить на близлежащие свободные энергетические
уровни. Это определяет возможность их перемещения под
действием
внешнего
электрического
поля
и
хорошую
электропроводность металлов.

Рисунок 2.

Полупроводники
характеризуются
как
свойствами
проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах
атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в
кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам
необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома
(1,76·10−19Дж против 11,2·10−19Дж, чем и характеризуется отличие
между полупроводниками и диэлектриками).
Эта энергия появляется в них при повышении температуры
(например, при комнатной температуре уровень энергии теплового
движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные атомы
получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом
температуры число свободных электронов и дырок увеличивается,
поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное
сопротивление уменьшается.
Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией
связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный
механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без
примесей)
полупроводников.
Он
называется
собственной
электрической проводимостью полупроводников.



По характеру проводимости.

Собственная проводимость.
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки»
появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь
кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью.
В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация
свободных электронов равняется концентрации «дырок».
Проводимость связана с подвижностью частиц следующим
соотношением:
где
- удельное сопротивление,
— подвижность электронов,
….. — подвижность дырок, — их концентрация, q — элементарный
электрический заряд (1,602·10−19 Кл).
Для собственного полупроводника концентрации носителей
совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость
Примесная проводимость полупроводников — электрическая
проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике
донорных или акцепторных примесей.
Примесная проводимость, как правило, намного превышает
собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников
определяются типом и количеством введенных в него легирующих
примесей.
Для создания полупроводниковых приборов часто используют
кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы
изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами
трехвалентного или пятивалентного химического элемента.



По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)
Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего
отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет
примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например,
кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например,
мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в
ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома
мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на
дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно
меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в
свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не
дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток
подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники,
вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются
донорными. Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего
положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников,
кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой
проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний)
добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента
(например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь
с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым
атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он
захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними
атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие
чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае,
называются акцепторными.
Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании
замечательных материалов с электронной или дырочной
проводимостью.
Широкое применение полупроводников началось сравнительно
недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они
преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и,
наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном
радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной
атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых
выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой
аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить
габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую
ими мощность и резко увеличить надежность.


Slide 14

Преподаватель Гребнева В.В.










Полупроводники.
Строение полупроводников и принцип их
действия.
Электропроводность проводников.
Механизм электрической проводимости
полупроводников
Виды полупроводников.
Использование полупроводников.

Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости
занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются
от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации
примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным
свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с
ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых
составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести
к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу
полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний,
селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических
соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества
окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе
полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его,
примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может
меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает,
в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи
температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники представляют собой особый класс кристаллов.
Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи. Такой
идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока
(при отсутствии освещения и радиационного облучения) .
Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с
атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении
температуры (T>0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут
разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома Такой электрон
является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше
концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше
удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления
полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации
носителей тока в нем.
В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых
веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере
электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое
место-«дырка» при воздействии электрическим полем на кристалл «дырка »
как положительный заряд, что фактически происходит благодаря разрыву
одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать
частицей, несущей положительный заряд.

Электропроводность полупроводников можно рассматривать с позиций
классической механики, то есть считать, что одновременно измеримы
координаты и импульс как электронов, так и дырок, и что можно
отслеживать движение каждого электрона и дырки индивидуально.
Показать это можно, рассмотрев функцию занятости состояний в случае
сравнительно узкой запрещенной зоны (см. рис.1). На нем штриховкой
отмечены занятые электронами состояния. Проанализировав зависимости,
изображенные на рис.1, можно сделать 2 вывода.
1. Первое, поскольку число электронов в зоне проводимости должно
равняться числу дырок в валентной зоне, то площади 1 и 2 должны быть
приблизительно равны (с малыми поправками на величины эффективных
масс электрона и дырки и трехмерное распределение состояний в
пространстве волновых векторов). Это достигается, если уровень Ферми
совпадает с серединой запрещенной зоны. Это утверждение можно доказать
и более строго (см. [1, 2, 3]).
2. Второе, так как
, то формула для вычисления
вероятности встретить электрон в зоне проводимости (и дырки в валентной
зоне) превращается в распределение Больцмана:

Рис. 1.
Распределение электронов по состояниям в полупроводнике

Это позволяет при описании поведения электронов и дырок
использовать классические подходы. Величину Е удобно отсчитывать от
верхнего края валентной зоны, что мы и будем подразумевать при
дальнейшем изложении.

Электропроводность полупроводников, как и других твердых
тел, определяется направленным движением электронов под
действием внешнего электрического поля. Существенные отличия
электропроводности
полупроводников
от
проводников
и
диэлектриков объясняется различием их энергетических диаграмм,
показанных на рис. 2. Здесь 1 зона проводимости, 2 — валентная
зона, 3 — запрещенная зона.
У проводников запрещенная зона отсутствует. Как видно из рисунка,
зона проводимости и валет пая зона частично перекрываются. При
этом
образуется
свободная
зона,
имеющая
свободные
энергетические уровни. Электроны заполненных валентных уровней
могут легко переходить на близлежащие свободные энергетические
уровни. Это определяет возможность их перемещения под
действием
внешнего
электрического
поля
и
хорошую
электропроводность металлов.

Рисунок 2.

Полупроводники
характеризуются
как
свойствами
проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах
атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в
кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам
необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома
(1,76·10−19Дж против 11,2·10−19Дж, чем и характеризуется отличие
между полупроводниками и диэлектриками).
Эта энергия появляется в них при повышении температуры
(например, при комнатной температуре уровень энергии теплового
движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные атомы
получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом
температуры число свободных электронов и дырок увеличивается,
поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное
сопротивление уменьшается.
Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией
связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный
механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без
примесей)
полупроводников.
Он
называется
собственной
электрической проводимостью полупроводников.



По характеру проводимости.

Собственная проводимость.
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки»
появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь
кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью.
В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация
свободных электронов равняется концентрации «дырок».
Проводимость связана с подвижностью частиц следующим
соотношением:
где
- удельное сопротивление,
— подвижность электронов,
….. — подвижность дырок, — их концентрация, q — элементарный
электрический заряд (1,602·10−19 Кл).
Для собственного полупроводника концентрации носителей
совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость
Примесная проводимость полупроводников — электрическая
проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике
донорных или акцепторных примесей.
Примесная проводимость, как правило, намного превышает
собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников
определяются типом и количеством введенных в него легирующих
примесей.
Для создания полупроводниковых приборов часто используют
кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы
изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами
трехвалентного или пятивалентного химического элемента.



По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)
Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего
отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет
примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например,
кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например,
мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в
ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома
мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на
дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно
меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в
свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не
дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток
подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники,
вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются
донорными. Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего
положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников,
кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой
проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний)
добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента
(например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь
с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым
атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он
захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними
атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие
чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае,
называются акцепторными.
Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании
замечательных материалов с электронной или дырочной
проводимостью.
Широкое применение полупроводников началось сравнительно
недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они
преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и,
наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном
радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной
атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых
выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой
аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить
габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую
ими мощность и резко увеличить надежность.