Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Физика arrow Изучение полупроводников в курсе физики твердого тела

ВВЕДЕНИЕ

Полупроводники относятся к классу веществ, величина электропроводности которых занимает среднее положение между проводниками и изоляторами (диэлектриками). При комнатной температуре удельное электросопротивление металлов составляет 10‘8-10'6 Ом*м,

ПО о 1 О

полупроводников - 10 -10 Ом*м, изоляторов (диэлектриков) - 10 -10 Ом*м.

Одной из важнейших особенностей полупроводников является резкое нелинейное возрастание их электропроводности с повышением температуры.

Носителями зарядов в полупроводниках могут быть электроны и электронные вакансии (положительно заряженные квазичастицы «дырки»). Кроме того, полупроводники очень чувствительны к воздействию света, разного вида излучений, бомбардировке заряженными частицами, влиянию окружающей атмосферы.

Схема уровней в полупроводнике

Рисунок 1 - Схема уровней в полупроводнике

Свойства кристаллических полупроводников хорошо объясняются теорией твёрдого тела. Кратко её положения заключаются в следующем. Как известно, в изолированном атоме электроны имеют дискретные значения энергий. В кристалле электроны взаимодействуют не только со своим атомом, но и с соседними атомами. Это приводит к незначительному смещению дискретных уровней отдельных атомов и образованию, практически, сплошных так называемых энергетических зон твёрдого тела - чередующихся областей разрешённых и запрещённых энергий (рисунок 1а).

В зависимости от числа электронов в кристалле энергетические уровни разрешенных зон могут быть в соответствии с принципом Паули полностью заполнены электронами - по два электрона с противоположными спинами на каждом уровне. Это будут все низкоэнергетические зоны разрешённых энергий электронов. Самая высокоэнергетическая зона разрешенных энергий, незаполненная электронами, называется свободной или зоной проводимости. Первая под ней зона разрешённых энергий называется валентной, так как её образуют валентные электроны атомов. Между ними в полупроводниках лежит запрещённая зона шириной АЕ, величина которой колеблется в разных

о

полупроводниках в пределах от 10' эВ до 3 эВ.

Зоны разрешенных энергий состоят из большого, но конечного числа энергетических уровней. Ширина разрешённых зон порядка нескольких электрон-вольт, а число энергетических уровней внутри разрешённой зоны определяется числом атомов в кристалле, причём, разница в энергиях соседних уровней в зоне очень мала (10'21-10'22 эВ).

В отличие от металлов в полупроводниках вблизи абсолютного нуля температур валентная зона целиком заполнена электронами, в то время как зона проводимости свободна от них. С точки зрения зонной теории твёрдого тела различие между полупроводником и изолятором (диэлектриком) заключается в величине запрещённых зон. В связи с малой величиной АЕ у полупроводников оказывается возможным при повышении температуры Т от абсолютного нуля переход электронов из валентной зоны в свободную зону (зону проводимости) под влиянием какого-либо внешнего воздействия. При этом одновременно с появлением электронов в зоне проводимости в заполненной валентной зоне образуются электронные вакансии - положительно заряженные квазичастицы «дырки».

Во внешнем электрическом поле вакансия также перемещается («дрейфует»), но в направлении, противоположном движению электрона, как положительный заряд, равный по величине заряду электрона. Такая проводимость, обусловленная движением дырок в валентной зоне полупроводника, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-

типа (в отличие от обычной электронной проводимости П-типа). Таким

д 9

образом, в химически чистом полупроводнике (примесей не более 10’ -10" %%) проводимость обеспечивается как электронная в зоне проводимости, так и вакансионная («дырками») в валентной зоне. Такая проводимость называется собственной проводимостью полупроводника. Ею обладают, например, чистые химические элементы германий (Се) и кремний (51).

Электрическая проводимость полупроводников в большой степени зависит от наличия примесей. Например, с введением в кремний лишь 0.001% химического элемента бора (В) проводимость материала при комнатной температуре увеличивается примерно в тысячу (103) раз. Проводимость, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники - примесными полупроводниками.

В зависимости от внедренных атомов примеси (донорных или акцепторных) можно получить полупроводники либо только с электронным типом проводимости (П-типа), либо только с дырочным (р-типа). Это связано с появлением в запрещенной зоне соответственно электрон-донорных или электроноакцепторных уровней энергии (рис. 16,1 в).

Величины АЕп и АЕР носят названия соответственно энергия активации доноров и энергия активации акцепторов.

Вероятности появления электронов в зоне проводимости или вакансий в валентной зоне будут соответственно пропорциональны ехр[-АЕп/кТ] или ехр[- АЕр/кТ].

Если, например, в кристаллический германий (ве) в качестве примеси ввести мышьяк (Аб), внешняя электронная оболочка которого содержит на один электрон больше, чем оболочка германия, то этот электрон, в соответствии с принципом Паули, вынужден будет занять энергетический уровень вблизи дна свободной зоны. При этом в решётке Се-АБ появится положительно заряженный дефект. Если атом примеси имеет на один электрон меньше, чем атом решётки, то в валентной зоне образуется положительно заряженная вакансия. Примеси, наличие которых приводит к появлению электронов в свободной зоне (зоне проводимости), называют донорными примесями; примеси, приводящие к появлению вакансий - акцепторными примесями.

Проводимость как собственного, так и примесного полупроводников складывается из электронной и дырочной проводимостей. Полупроводник, в котором концентрация электронов проводимости значительно превышает концентрацию вакансий (Пе>>Пр), называют полупроводниками П-типа. Если же выполняется неравенство пе<<пр, то полупроводник называется полупроводником р-типа.

Электроны и дырки подчиняются статистике Ферми - Дирака (они являются фермионами), но при высоких температурах статистика Ферми - Дирака мало отличается от статистики Больцмана. Поэтому в собственных полупроводниках концентрация электронов в зоне проводимости Пе и концентрация дырок в валентной зоне Пр при высоких температурах определяется формулой

где Ао - член, зависящий от температуры, который учитывает свойства конкретного полупроводника.

Учитывая, что электропроводность а пропорциональна числу носителей заряда, можно представить зависимость удельной электропроводности полупроводника от температуры в виде

где АЕ - ширина запрещенной зоны (для полупроводника с собственной проводимостью) или энергии активации АЕп и АЕр для полупроводников с примесной проводимостью. Коэффициент А в формуле (2) зависит от природы полупроводника.

До сих пор мы рассматривали переход электрона в свободную зону и образование вакансии в валентной зоне как результат нагрева полупроводника. Но, оказывается, что этот процесс может происходить и за счёт энергии света: облучение полупроводника светом приводит к повышению электропроводности полупроводника. Это явление называется фотопроводимостью или внутренним фотоэффектом. Электроны, находящиеся в валентной зоне полупроводника, поглощают энергию падающего на него кванта света Е=Ь>, которая зависит от частоты световых колебаний V и не зависит от интенсивности света.

С увеличением интенсивности света возрастает число, поглощающих свет электронов, но не энергия, получаемая каждым из них. Электрон может принять энергию только от одного кванта света (фотона). Вероятность того, что электрон может поглотить энергию одновременно двух фотонов при малых интенсивностях света, практически, равна нулю, и только при интенсивностях монохроматического света, которую обеспечивают импульсные лазеры, эта возможность реализуется.

Если энергия фотона E=hv превышает величину запрещенной зоны ЛЕ в собственном полупроводнике (либо энергии активации ЛЕп и АЕр в примесных полупроводниках), то электрон, возбуждаясь, переходит в свободную зону, где может перемещаться под действием электрического поля, осуществляя так называемый фототок.

Зависимость между максимальной энергией фотоэлектрона и частотой падающего монохроматического света даётся вторым законом фотоэффекта - законом Эйнштейна:

где hv - энергия поглощённого фотона; V - частота падающего света; h - постоянная Планка (6.62*10'34 Дж/с); е<рф - фотоэлектрическая работа выхода электрона из фотокатода; mv2maJ2 - максимальная кинетическая энергия, которой обладает электрон при выходе из вещества фотокатода; m - масса электрона; vmax ~ максимальная скорость электрона, выбитого квантом света.

Уравнение Эйнштейна выражает закон сохранения и превращения энергии для случая взаимодействия фотона с веществом.

Непременным условием возникновения фотоэффекта в собственных полупроводниках является соблюдение неравенства hv>AE, т.е. энергия поглощенного фотона должна быть больше или равна ширине запрещенной зоны полупроводника. Наименьшая частота света V, при которой прекращается (или возникает) явление фотопроводимости в полупроводниках называется порогом или красной границей фотоэффекта. Существуют такие примесные полупроводники, у которых для перевода электронов в свободное состояние достаточно десятых долей электрон-вольта, и поэтому повышение электропроводности может наблюдаться при облучении их квантами далёкой инфракрасной области спектра.

Подведём итог. В 1887 году Генрих Рудольф Герц обнаружил явление, впоследствии названное фотоэффектом. Его суть он определил в следующем: если свет от ртутной лампы направить на металл натрий, то с его поверхности будут вылетать электроны.

Современная формулировка фотоэффекта иная: при падении световых квантов на вещество и при их последующем поглощении в веществе будут частично или полностью освобождаться заряженные частицы. Другими словами, при поглощении световых фотонов происходят следующие явления:

  • 1. эмиссия электронов из вещества;
  • 2. изменение электропроводности вещества;

3. возникновение фото-ЭДС на границе сред с различной проводимостью (например, металл - полупроводник).

Таким образом, в настоящее время существует три вида фотоэффекта.

  • 1. Внутренний фотоэффект. Заключается в изменении проводимости полупроводников. Он используется в фоторезисторах, которые применяются в дозиметрах рентгеновского и ультрафиолетового излучения, также используется в медицинских приборах (оксигемометр) и в датчиках пожарной сигнализации.
  • 2. Вентильный фотоэффект. Заключается в возникновении фото-ЭДС на границе веществ с разным типом проводимости, в результате разделения носителей электрического заряда электрическим полем. Он используется в солнечных батареях, в селеновых фотоэлементах и датчиках, регистрирующих уровень освещенности.
  • 3. Внешний фотоэффект. Как уже говорилось ранее, это процесс выхода электронов из вещества в вакуум под действием квантов электромагнитного излучения.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы