Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Власна провідність напівпровідників



Напівпровідники без домішок і дефектів кристалічної гратки називають власними напівпровідникамиабо бездомішковими. Такі напівпровідники у вузлах кристалічної гратки мають лише свої атоми. При температурі абсолютного нуля (-273 С) всі валентні електрони в власному напівпровіднику зв'язані. Якщо такий кристал розмістити в електричне поле, то електричний струм не виникне, так як відсутні вільні електрони; а тому в цих умовах напівпровідник має властивості ідеального зв’язку.

Якщо валентному електрону надати порцію енергії більшу ніж ширина забороненої зони DW, то він розриває ковалентний зв'язок і стає вільним носієм електричного заряду. Він може вільно рухатися по кристалу. Для Ge ширина забороненої зони складає 0,78 еВ, для Si – 1,21 еВ.

Звільнення валентних електронів може проходити за рахунок тепла, світла, електричного поля і різних видів випромінювання. При нагріванні напівпровідника атоми кристалічної гратки знаходяться в коливальному русі з амплітудою, пропорційною температурі. Енергія, яку отримують окремі атоми за рахунок теплового руху, неоднакова, а тому при температурі, відмінній від нуля, завжди є вірогідність того, що якісь електрони за рахунок теплових коливань отримують енергію більшу за ширину забороненої зони і стануть вільними. Причому, чим вища температура і менша ширина забороненої зони, тим більше буде таких електронів.

Із збільшенням температури концентрація вільних електронів в напівпровіднику зростає за експоненціальним законом

), (1)

 

де – кількість вільних електронів в 1 хімічно чистого напівпровідника;

– ширина забороненої зони;

– коефіцієнт, рівний для Geі для Si;

K – постійна Больцмана, рівна .

Якщо валентний електрон розриває ковалентний зв'язок і стає електроном провідності, то в цьому місці, де він знаходився, спостерігається місцеве порушення електричної нейтральності. Дійсно, якщо зв'язки заповнені, то позитивний заряд ядер компенсується від'ємним зарядом електронів, а звільнення одного з електронів приводить до того, що в цьому місці, звідки він вийшов, буде переважати позитивний заряд ядер, рівний за абсолютною величиною заряду електрона. Таким чином, виходить, що місце звільнене від валентного електрона має позитивний заряд. Ці позитивні заряди (вакантний енергетичний рівень у -4- валентній зоні) називають дірками, оскільки вони виникають, коли немає електрона у ковалентному зв'язку. Дірка може бути заповнена із сусіднього зв'язку. При цьому один зв'язок заповниться, а другий розірветься (рис. 3,а). Значить дірка може рухатися по кристалу, а разом з нею буде рухатись і позитивний заряд. Причому переміщення дірок відбувається у напрямі протилежному руху електронів у валентній зоні

 

 

а) б)

Рис.3. Схема утворення пар електрон-дірка в кристалі кремнію (а) та його енергетична діаграма (б).

 

Процес утворення пар електрон-дірка називається генерацією носіїв заряду. Можливе захоплення електронів зони провідності дірками валентної зони. Процес зникнення пар вільний електрон-дірка називається рекомбінацією. Причому, при рекомбінації виділяється енергія в вигляді тепла або світла, і рівна ширині забороненої зони напівпровідника.

В кристалічній гратці власного напівпровідника концентрація дірок дорівнює концентрації електронів

pi=ni (2)

 

У чистому германії ni = pi = 2.73 · 1013носіїв у 1 см3 , у чистому кремнії ni = pi = 1.38 · 1010см3 , тобто на порядки менша . Число атомів N у 1 см3 металу або напівпровідника становить 5 · 1022.

Швидкість рекомбінації, тобто кількість зникаючих за одиницю часу електронно-діркових пар, визначається властивостями напівпровідника і пропорційна концентрації електронів ni та дірок pi. Чим більше носіїв заряду, тим вірогідніше їх зіткнення, яке закінчується рекомбінацією.

Отже, швидкість рекомбінацій

 

Vрек =rni pi = r ni2,(3)

 

де r – коефіцієнт рекомбінації (визначається властивостями напівпровідника)

 

Швидкість рекомбінації – кількість вивільнених за одиницю часу електронно-діркових пар – залежить від температури напівпровідника та ширини забороненої зони.

У сталому режимі існує динамічна рівновага – швидкість генерації дорівнює швидкості рекомбінації

Vген = r · ni2, (4)

Vген = Vрек

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.