полупроводники — это… Что такое полупроводники?

ПОЛУПРОВОДНИКИ́ -о́в; мн. (ед. полупроводни́к, -а́; м.). Физ. Вещества, которые по электропроводности занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. Свойства полупроводников. Производство полупроводников. // Электрические приборы и устройства, изготовленные из таких веществ. Радиоприёмник на полупроводниках.

◁ Полупроводнико́вый, -ая, -ое. П-ое вещество. П-ое производство. П-ая электроника. П-ые свойства веществ. П-ые материалы. П-ые приборы, установки.

ПОЛУПРОВОДНИКИ́, вещества, электропроводность которых при комнатной температуре имеет промежуточное значение между электропроводностью металлов (10⁶ — 10⁴ Ом^-1 см^-1) и диэлектриков (10^-8 — 10^-12 Ом^-1 см^-1), обусловлена переносом электронов и возрастает при повышении температуры. Наиболее существенная особенность полупроводников — способность изменять свои свойства в чрезвычайно широких пределах под влиянием различных воздействий (температуры, освещения, электрического и магнитного поля, внешнего гидростатического давления). В результате таких воздействий характеристики полупроводника могут сильно изменяться, (например, электропроводность может меняться в 10 ⁶-10⁷ раз). Именно эта способность изменять свойства под влиянием внешних воздействий и обусловила широкое применение полупроводников. На основе различных полупроводниковых материалов (см. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ) разработано и создано огромное количество разнообразных полупроводниковых приборов (см. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ).
Физические свойства полупроводников получили свое объяснение на основе зонной теории (см. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ), которая позволяет сформулировать критерий, разделяющий твердые вещества на два класса — металлы и полупроводники (диэлектрики). В металлах валентная зона (

см. ВАЛЕНТНАЯ ЗОНА) заполнена полностью или перекрывается с зоной проводимости (см. ПРОВОДИМОСТИ ЗОНА). В полупроводниках и диэлектриках зона проводимости отделена от валентной зоны запрещенной зоной (см. ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА), и не содержит носителей. Деление неметаллических веществ на полупроводники и изоляторы (диэлектрики) является чисто условным. Ранее к изоляторам относили вещества с величиной запрещенной зоны Eg >2—3 эВ. Однако многие из таких кристаллов являются типичными полупроводниками.
Проводимость в полупроводниках
Электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом носителей заряда (см. дрейф заряженных частиц (см. ДРЕЙФ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ)). В полупроводниках появление носителей заряда определяется рядом факторов, важнейшими из которых являются химическая чистота материала и температура. В зависимости от чистоты полупроводники подразделяют на собственные и примесные.
В собственном полупроводнике можно пренебречь влиянием примесей при данной температуре. Так как в полупроводниках запрещенная зона не очень широкая, в собственном полупроводнике при температуре абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости абсолютно свободна: он не обладает электропроводностью и ведет себя подобно идеальному диэлектрику. При температурах, отличных от абсолютного нуля, имеется конечная вероятность того, что некоторые из электронов за счет тепловых флуктуаций (неравномерного распределения тепловой энергии между частицами) преодолеют потенциальный барьер и окажутся в зоне проводимости. Вероятность перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости зависит от температуры и ширины запрещенной зоны( Eg), ПОЛУПРОВОДНИКИ-Eg/kT.
В собственном полупроводнике каждый переход электрона в зону проводимости сопровождается образованием дырки (см. ДЫРКА) в валентной зоне. Благодаря дыркам электроны валентной зоны также принимают участие в процессе электропроводности за счет эстафетных переходов под действием электрического поля на более высокие освободившиеся энергетические уровни. Совокупное поведение электронов валентной зоны можно представить как движение дырок, обладающих положительным зарядом и некоторой эффективной массой (

см. ЭФФЕКТИВНАЯ МАССА). Чем выше температура и меньше ширина запрещенной зоны, тем выше скорость тепловой генерации носителей заряда (электронов и дырок). Одновременно с генерацией в полупроводнике непрерывно идет и обратный процесс, процесс рекомбинации (см. РЕКОМБИНАЦИЯ в физике) носителей заряда, т.е. возвращение электронов в валентную зону с исчезновением пары носителей заряда. В результате протекания двух конкурирующих процессов в полупроводнике при любой температуре устанавливается некоторая равновесная концентрация электронов no и дырок po, которые равны друг другу в собственном полупроводнике (равновесная концентрация электронов n_i = равновесной концентрации дырок p_i) . (Индекс i происходит от англ. intrinsic — собственный).
В собственных полупроводниках наблюдается электронно-дырочный механизм проводимости.
Электрофизические свойства примесного полупроводника определяются в первую очередь типом и концентрацией примеси, которая создает дополнительные уровни в запрещенной зоне полупроводника. При малой концентрации примесей расстояние между примесными атомами велико, их электронные оболочки не взаимодействуют друг с другом. Поэтому примесные энергетические уровни являются дискретными, т. е. не расщепляются в зону, как это имеет место для уровней основных атомов кристаллической решетки. Роль дискретных уровней могут играть и всевозможные дефекты структуры, в первую очередь, вакансии и междоузельные атомы. Примеси могут либо поставлять электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны. Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами (

см. ДОНОР (в физике)), а энергетические уровни этих примесей — донорными уровнями. Основными носителями тока в таких полупроводниках являются электроны, возникает электронная проводимость (проводимость n -типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами (см. АКЦЕПТОР), а энергетические уровни этих примесей — акцепторными уровнями. Основные носители заряда в таких полупроводниках — дырки. В них наблюдается дырочная проводимость (проводимость p -типа).
В полупроводниках всегда присутствуют оба типа носителей заряда. Основными называют носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике больше, неосновными — носители заряда, концентрация которых меньше. В полупроводнике n — типа основные носители заряда — электроны, неосновные — дырки, в полупроводнике p-типа дырки — основные, а электроны — неосновные.
Если в полупроводнике n — типа увеличить концентрацию доноров, то возрастет число электронов, переходящих в единицу времени с примесных уровней в зону проводимости. Соответственно возрастет скорость рекомбинации носителей заряда и уменьшится равновесная концентрация дырок. При помощи соотношения:

n_o^.p_o = n²_i
называемого соотношением действующих масс для носителей заряда всегда можно, найти концентрацию неосновных носителей заряда, если известна концентрация основных. Характерная особенность полупроводников — рост электропроводности с увеличением температуры — обусловлена ростом концентрации носителей при увеличении температуры.
Механизмы рассеяния и подвижность носителей заряда в полупроводниках
Под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения (скорость дрейфа) и создают электрический ток. Подвижность носителей заряда (см. ПОДВИЖНОСТЬ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА), равная средней скорости носителей заряда в полупроводнике в электрическом поле с напряженностью 1В/см, зависит от длины их свободного пробега, а, следовательно, определяется процессами рассеяния (

см. РАССЕЯНИЕ МИКРОЧАСТИЦ) движущихся в полупроводнике электронов.
Процесс рассеяния представляет собой искривление траектории движения носителя заряда под влиянием сил, действующих на электрон или дырку со стороны рассеивающего центра. Если таким центром является положительный ион, то рассеивающей силой будет кулоновский потенциал, если рассеивающим центром является нейтральный атом примеси, рассеиваемый электрон, сталкиваясь с ним, выбивает электрон, принадлежащий атому, рассеиваемый электрон остается в атоме, а выбитый, получив энергию, движется по измененной траектории. Так как электроны неразличимы, акт обмена электронами рассматривается как акт изменения траектории электрона, т. е. рассеяние. Характерной особенностью рассеяния на нейтральных атомах является независимость времени релаксации от энергии рассеиваемых носителей заряда и температуры. Процесс рассеяния электронов на тепловых колебаниях решетки рассматривается как столкновение с фононом ( см. ФОНОН). Поскольку число фононов определяется температурой, то и рассеяние носителей заряда зависит от температуры. Рассеивающими центрами при движении электрона являются также структурные дефекты (см. ДЕФЕКТЫ) кристаллической решетки — дислокации (см. ДИСЛОКАЦИИ), вакансии, имеет место также электрон-электронное рассеяние.
В реальных полупроводниках действуют одновременно несколько механизмов рассеяния, причем вклад каждого из них может сильно меняться с изменением температуры и концентрации примеси.
Механизмы рекомбинации в полупроводниках
Закон действующих масс для носителей заряда применим только к равновесным процессам. Генерация носителей заряда в полупроводниках может осуществляться не только за счет теплового воздействия но и при облучении светом, при воздействии электрического поля, при инжекции (

см. ИНЖЕКЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА) через контакт и т. д. В результате таких воздействий в полупроводнике появляются дополнительные, неравновесные носители заряда. Их концентрация является избыточной по отношению к равновесной и после прекращения нетеплового возбуждения полупроводник возвращается в равновесное состояние, при этом избыточная концентрация носителей заряда за счет процесса рекомбинации спадает до нуля. Принцип действия почти всех электронных приборов основан на явлении инжекции неравновесных носителей при воздействии на кристалл внешних сил (световое, электромагнитное излучение радиочастотного диапазона, облучение ядерными частицами и т. д.). Поэтому скорость рекомбинации определяет быстродействие прибора. Чем больше скорость рекомбинации, тем на более высоких частотах будет работать прибор.
Скорость рекомбинации характеризуется временем жизни носителей заряда — характеристическим временем, по истечении которого избыточная концентрация носителей заряда при линейной рекомбинации уменьшается в е раз. Т. е. характеризует среднее время существования избыточной концентрации и зависит от вида и механизма рекомбинации, состава полупроводника, температуры.
Существует два вида рекомбинации: зона — зона, при котором избыточные электроны из зоны проводимости непосредственно переходят в валентную зону, и рекомбинация через глубокие уровни в запрещенной зоне полупроводника.
При рекомбинации происходит отдача энергии, полученной при генерации. Механизмы рекомбинации классифицируют по способу отдачи энергии, выделяющейся при акте захвата носителей при рекомбинации.
Наиболее вероятные механизмы рекомбинации в полупроводниках:
— излучательная рекомбинация, при которой энергия выделяется в виде кванта электромагнитного излучения;
— фононная рекомбинация, связанная с непосредственной передачей выделяющейся энергии колебаниям атомной решетки:
— ударная рекомбинация (эффект Оже (см. ИОНИЗАЦИЯ)), когда энергия сначала передается ближайшему свободному электрону (или дырке), который затем отдает свою избыточную энергию либо колебаниям атомов решетки, либо другим носителям.
Все три механизма могут осуществляться как при рекомбинации зона-зона, так и при рекомбинации через локальные центры.
Оптические явления в полупроводниках
При воздействии на полупроводник светом могут быть реализованы следующие типы взаимодействия квантов света с носителями заряда: собственное поглощение, экситонное поглощение, поглощение на свободных носителях, примесное поглощение.
В случае собственного поглощения происходит взаимодействие фотонов с электронами в валентной зоне, т. е. с собственными электронами атомов, составляющих кристаллическую решетку, Фотоны определенной энергии способны отдать свою энергию этим электронам, оторвать их от атомов и перевести электроны на более высокие энергетические уровни. В этом случае фотоны поглощаются в кристалле. При собственном поглощении переходы могут быть прямые, когда волновой вектор электрона остается неизменным, и электрон и оставляемая им дырка имеют одинаковые квазиимпульсы. Возможны также непрямые переходы с участием фононов, которым передается избыточный импульс. По краю собственного поглощения можно определить ширину запрещенной зоны полупроводника.
В некоторых полупроводниках наблюдается экситонное поглощение. При поглощении фотонов образуются экситоны (см. ЭКСИТОН), которые могут блуждать по кристаллу. При столкновении с примесными центрами экситон может либо распасться и образовать электрон и дырку, либо рекомбинировать и перевести атом в невозбужденное состояние. В первом случае экситону необходима тепловая энергия, во втором — либо происходит излучение кванта энергии, либо энергия экситона переходит решетке полупроводника в виде теплоты.
Поглощение на свободных носителях имеет место, когда фотоны реагируют со свободными носителями заряда в разрешенных зонах. При этом энергия фотонов расходуется на перевод носителей заряда на более высокие уровни. Под действием электрического поля световой волны носители заряда совершают колебательные движения синхронно с полем и при столкновении с узлами решетки отдают накопленную энергию.
В случае примесного поглощения света фотоны взаимодействуют с примесными атомами, ионизируя или возбуждая их. Взаимодействие фотонов с примесными атомами носит резонансный характер.
В полупроводниковых кристаллах также имеет место поглощение света кристаллической решеткой. Оно проявляется в далекой ИК-области спектра и накладывается на другие виды поглощения.
В случае примесного и собственного оптического поглощения происходит генерация неравновесных носителей заряда, которая сопровождается изменением электрических свойств полупроводника при освещении — наблюдается эффект фотопроводимости (см. ФОТОПРОВОДИМОСТЬ), используемый для создания широкого класса приборов. К неравновесным оптическим явлениям, характерным для полупроводниковых кристаллов и нашедших широкое применение в полупроводниковом приборостроении относится люминесценция (см. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ).
Сильно легированные полупроводники
При больших концентрациях примесей или дефектов проявляется их взаимодействие, ведущее к качественным изменениям свойств полупроводников. Это можно наблюдать в сильно легированных полупроводниках, когда что среднее расстояние между атомами примеси становится меньше (или порядка) среднего расстояния а, на котором находится от примеси захваченный ею электрон или дырка. В таких условиях носитель вообще не может локализоваться на каком-либо центре, т. к. он все время находится на сравнимом расстоянии сразу от нескольких одинаковых примесей. Более того, воздействие примесей на движение электронов вообще мало, т. к. большое число носителей со знаком заряда, противоположным заряду примесных ионов, экранируют (т. е. существенно ослабляют) электрическое поле этих ионов. В результате все носители, вводимые с этими примесями, оказываются свободными даже при самых низких температурах.
Полупроводники в сильном электрическом поле
Сильное электрическое поле влияет на подвижность и концентрацию носителей заряда. Существуют несколько механизмов увеличения концентрации носителей в сильном электрическом поле. Основными механизмами являются три: термоэлектрическая (термополевая) ионизация (эффект Френкеля), электростатическая ионизация (туннельный эффект (см. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ)) и ударная ионизация (см. УДАРНАЯ ИОНИЗАЦИЯ).
Механизм термополевой ионизации реализуется при низких температурах, когда концентрация электронов в зоне проводимости определяется вероятностью их освобождения с донорных уровней. На электрон, находящийся на донорном уровне, в электрическом поле помимо силы кулоновского притяжения к иону-донору действует сила F=-qE, способная помочь электрону оторваться от донора и стать свободным. Т. е. повышается вероятность перехода электронов с донорных уровней в зону проводимости, что и означает увеличение концентрации носителей и возрастание электропроводности.
При более высоких температурах, когда донорная примесь ионизирована полностью, главную роль в увеличении концентрации носителей играют явления, связанные с ударной и электростатической (туннельной) ионизацией решетки кристалла в полях большой напряженности.

Словарь терминов физики полупроводников — это… Что такое Словарь терминов физики полупроводников?

Эта страница — глоссарий.

А

Адатом — атом на поверхности кристалла.

Адиабатическое приближение — приближение в теории твёрдого тела, при котором движение остовов ионов кристаллической решётки рассматривается в качестве возмущения. См. фононы.

Адиабатический транспорт

Акустический фонон

Акцептор — примесь в полупроводниковом материале, которая захватывает свободный электрон.

Акцепторная ловушка

Аморфные тела

Анизотропия

Арсенид галлия

Б

Баллистический транзистор

Барьер Шоттки — потенциальный барьер, возникающий на границе металл — полупроводник

Безызлучательная рекомбинация — рекомбинация без испускания квантов света. Передача энергии электронно-дырочной пары происходит либо колебаниям решетки (фононам), либо третьей частице (Оже-рекомбинация).

Бесщелевой полупроводник — полупроводник с нулевой шириной запрещённой зоны.

Бинарные соединения — химические вещества, образованные двумя химическими элементами.

В

Валентная зона — зона валентных электронов, при нулевой температуре в собственном полупроводнике полностью заполнена.

Вольт-амперная характеристика — зависимость тока от напряжения. Основная характеристика для любого полупроводникового прибора.

Г

Галлий — элемент пятой группы периодической системы элементов.

Гальваномагнитные эффекты — эффекты связанные с действием магнитного поля на электрические (гальванические) свойства твердотельных проводников.

Д

Двумерный электронный газ — электронный газ, который находится в потенциальной яме, ограничивающей движение по одной из координат.

Дефекты кристалла — любое нарушение периодичности кристалла.

Дивакансия — конгломерат дефектов кристалла, состоящий из двух вакансий.

Диод — полупроводниковый прибор с двумя электродами.

Дислокация — линейный дефект в кристалле.

Дислокация несоответствия — один из типов линейных дефектов в кристалле, когда дополнительная полуплоскость вставлена в кристаллическую решётку.

Донор — тип легирующих примесей, поставляющих свободные электроны.

Дырка — квазичастица в твёрдом теле с положительным зарядом, равным по абсолютному значению заряду электрона.

Дырочная проводимость — в полупроводнике с p-типом проводимости основные носители заряда дают основной вклад в проводимость.

Дырочный полупроводник — полупроводник с p-типом проводимости, основные носители тока — дырки.

Двухдолинный полупроводник — полупроводник, зона проводимости которого имеет два энергетических минимума.

З

Закон дисперсии — Зависимость энергии от квазиволнового вектора . В полупроводнике с параболическим законом дисперсии эффективная масса не зависит от энергии.

Затвор — управляющий электрод в полевом транзисторе.

Зона — термин зонной теории, обозначающий область разрешённых значений энергии, которые могут принимать электроны или дырки.

Зонная теория твёрдых тел — одноэлектронная теория для периодического потенциала, объясняющая многие электрофизические свойства полупроводников. Использует адиабатическое приближение.

И

Излучательная рекомбинация — рекомбинация с испусканием одного или нескольких фотонов при гибели электрон-дырочной пары; источник излучения в светодиодах и лазерных диодах.

Инжекция — явление, приводящее к появлению неравновесных носителей в полупроводнике при пропускании электрического тока через p-n-переход или гетеропереход.

Исток — термин, обозначающий один из контактов в полевом транзисторе.

К

Квантовый точечный контакт

Квантовый эффект Холла

Коэффициент отражения

Коэффициент прохождения

Кристалл — идеализированная модель твёрдого тела с трансляционной симметрией.

Кристаллофизика

Кремний — полупроводник, основной материал современной полупроводниковой промышленности.

Л

Лавинная инжекция — см. ЛИЗМОП-структуры

Лавинный пробой

Лёгкие дырки

Люминесценция — свечение твёрдых под влиянием внешнего воздействия (пропускание электрического тока, возбуждение светом или заряженными частицами).

М

Механическое движение — изменение с течением времени положения тела относительно других тел.

Н

Неосновные носители магнитное поле

О

Оже-рекомбинация

Оптические переходы — переходы электрона в твёрдом теле между состояниями с различной энергиями с испусканием или поглощением света.

Оптические фононы

Основные носители — тип преобладающих в полупроводнике носителей заряда.

П

Параболический закон дисперсии — у полупроводников с параболическим законом дисперсии можно ввести массу, которая отличается от массы покоя электрона. В этом случае частица, движущаяся в кристаллическом потенциале, не замечает его и ведёт себя как свободная частица.

Переход металл-диэлектрик

Плотность состояний

Подвижность

Поликристалл

Примеси — инородные атомы в чистом материале.

Примесная зона — зона, которая образуется при сильном легировании полупроводника, когда волновые функции электронов соседних примесей перекрываются.

Пьезокристаллы

Пьезоэффект

Р

Рассеяние на акустических фононах

Рассеяние на оптических фононах

Рекомбинация — гибель пары электрон-дырка.

Релаксация

С

Статистика Бозе — Эйнштейна

Статистика Ферми — Дирака

Сток — один из контактов в полевом транзисторе.

Т

Тензор эффективной массы

Термализация — процесс установления термодинамического равновесия для неосновных носителей заряда.

Термогальваномагнитные эффекты — эффекты, возникающие под влиянием магнитного поля в электропроводности и теплопроводности проводников.

Теплоёмкость твёрдого тела

Точечные дефекты или нульмерные дефекты — дефекты кристалла, при которых периодичность потенциала нарушается только локально.

Твердые растворы

Тяжёлые дырки

У

Уровень Ферми — энергетический уровень, который при абсолютном нуле температур разделяет полностью заполненные квантовые состояния от полностью незанятых состояний.

Ф

Фонон — Квазичастица, квант колебательного движения атомов кристалла.

Фотопроводимость — проводимость полупроводника при воздействии света. Даёт информацию о дефектах в полупроводниках.

Х

Ц

Ш

Ширина запрещённой зоны, E_g — одна из основных электрофизических характеристик полупроводника. Разность между энергией дна зоны проводимости и потолком валентной зоны.

Широкозонные полупроводники — полупроводники с шириной запрещённой зоны 1 эВ < E_g < 3 эВ

Э

Экситон — квазичастица в твёрдом теле, связанное состояние электрона и дырки. Обладает ограниченным временем жизни.

Электрон — квазичастица в твёрдом теле с зарядом электрона, но с отличной массой.

Электронное сродство — энергия выделяющаяся при присоединении одного электрона к твердому телу. Для металлов совпадает с термодинамической работой выхода, для полупроводников отличается от неё на величину E_С-E_F, поскольку присоединенный электрон попадает на дно зоны проводимости.

Электронный полупроводник — полупроводник с n-типом проводимости, где основные носители — электроны.

Эффект Ааронова — Бома

Эффект Ганна — периодические колебания тока в двухдолинных полупроводниках

Эффект Нернста — Эттингсгаузена

Эффект Риги — Ледюка

Эффект Холла — возникновение поперечной разности потенциалов при протекании тока во внешнем магнитное поле.

Эффект Шубникова — де Гааза — осцилляции магнетосопротивления периодичные по обратному магнитному полю.

Эффект Эттингсгаузена

Эффективная масса — перенормированная масса электрона в кристаллической решётке. Примен́им к полупроводникам с параболическим законом дисперсии. Для различных разрешённых зон эффективная масса квазичастиц различается, поэтому появляются тяжёлые и лёгкие дырки. В общем случае нужно масса зависит от направления в кристалле и говорят о тензоре эффективной массы.

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 14 мая 2011.

Электрический ток в полупроводниках — Класс!ная физика

Электрический ток в полупроводниках

Полупроводник — это вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры., а это значит, что электрическая проводимость (1/R ) увеличивается.
— наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

Механизм проводимости у полупроводников

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.

При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и он ведет себя как диэлектрик.

Полупроводники чистые (без примесей)

Если полупроводник чистый( без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика.

Собственная проводимость бывает двух видов:

1. электронная ( проводимость «n » — типа)

При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны — сопротивление уменьшается.
Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности эл.поля.
Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

2. дырочная (проводимость » p»- типа )

При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном — «дырка».
Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение «дырки» равноценно перемещению положительного заряда.
Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

Кроме нагревания , разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость ) и действием сильных электрических полей

Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей «p» и «n» -типов
и называется электронно-дырочной проводимостью.

Полупроводники при наличии примесей

— у них существует собственная + примесная проводимость
Наличие примесей сильно увеличивает проводимость.
При изменении концентрации примесей изменяется число носителей эл.тока — электронов и дырок.
Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.

Существуют:

1) донорные примеси (отдающие)

— являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.
Это проводники » n » — типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда — электроны, а неосновной — дырки.
Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью.

Например — мышьяк.

2. акцепторные примеси ( принимающие )

— создают «дырки», забирая в себя электроны.
Это полупроводники » p «- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда — дырки, а неосновной — электроны.
Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью.

Например — индий.

Электрические свойства «p-n» перехода

«p-n» переход (или электронно-дырочный переход) — область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).

В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой.Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.
При прямом (пропускном) направлении внешнего эл.поля эл.ток проходит через границу двух полупроводников.
Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

Пропускной режим р-n перехода:

При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.
Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

Запирающий режим р-n перехода:

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.

Полупроводниковые диоды

Полупроводник с одним «p-n» переходом называется полупроводниковым диодом.

При наложении эл.поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико, обратном — сопротивление мало.

Полупроводниковые диоды — основные элементы выпрямителей переменного тока.

Полупроводниковые транзисторы

— также используются свойства» р-n «переходов,

— транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов.

Электрический ток в различных средах — Класс!ная физика

Электронная проводимость металлов. Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость — Электрический ток в полупроводниках. Р-n переход. Полупроводниковые приборы — Электрический ток в вакууме. Вакуумный диод. Электронно-лучевая трубка — Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза — Электрический ток в газах — Контрольные вопросы к зачету по теме: Электрический ток в различных средах

Что такое полупроводники? | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Не все тела одинаково проводят электрику: одни — хоро­шо, вследствие чего и получили название проводники, а другие — почти не проводят — их назвали изоляторами, или диэлектриками.

Однако оказалось, что подавляющее боль­шинство веществ нельзя отнести ни к про­водникам, ни к диэлектрикам. Эту группу веществ назвали полупроводниками и счита­ли, что они практического значения в элект­ричестве не имеют. В самом деле, более поздние исследования показали, что боль­шинство полупроводников практического применения в электричестве не нашли. Тем не менее среди них были выявлены и такие, которые имеют чрезвычайно интересные и важные свойства, что и побуждало к даль­нейшему их изучению, а со временем и к широкому использованию.

Чтобы удостовериться в том, что по удель­ному сопротивлению или электропроводимос­ти полупроводники занимают промежуточ­ное место между хорошими проводниками (например, металлами) и диэлектриками, можно провести опыт, схема которого изобра­жена на рис. 8.1. Берут три одинаковых по размеру тела: из металла (м), полупровод­никового вещества (п/п) и диэлектрика (д). Поддерживая в цепи постоянное напряже­ние, включают поочередно тело из металла, полупроводникового вещества и диэлектрика.

Если к цепи подключено металлическое тело, то сила тока довольно значительна — стрелка амперметра отклоняется до конца шкалы. В случае включения диэлектрика ток в цепи практически отсутствует, а при вклю­чении полупроводника сила тока имеет про­межуточное значение (рис. 8.2).

Рис. 8.1. Сравнение сопротивления или электропроводимости разных веществ

Рис. 8.2. Сила тока в цепи при по­стоянном напряжении

Таким образом, можно сделать вывод, что полупроводники по удельному сопро­тивлению или электропроводимости зани­мают промежуточное место между метал­лами (наилучшими проводниками) и ди­электриками: ρ_М < ρ_П/П < ρ_Д (рис. 8.3).

Тем не менее следует иметь в виду, что четкой границы значений удельного сопро­тивления металлов, полупроводников и ди­электриков нет. Некоторые полупроводники при определенных условиях могут быть по электрическим свойствам близки как к ме­таллам, так и к диэлектрикам.

Иногда слово «полупроводник» связыва­ют с тем, что якобы полупроводники про­водят ток лишь в одном направлении. На самом деле это не совсем так (рис. 8.4).

Если взять тело из полупроводникового вещества и про­пускать через него ток сначала в одном, а потом в противоположном направлении, то значения сил тока в обоих случаях будут одинаковыми.

Рис. 8.3. Сравнение значений удельных сопротивлений и электропроводимостей различных веществ

Рис. 8.4. Полупроводниковые вещества односторонней проводимости не имеют

Существуют полупроводниковые при­боры, например, диоды, которые в самом деле проводят ток практически в одном направлении.

Диод — прибор с двумя электродами, пропускающий ток практически в одном на­правлении.

По каким же признакам из огромного количества веществ, которые существуют в природе или могут быть созданы искусст­венно, выбирают вещества, именуемые се­годня полупроводниками? Необходимо вспомнить, как зависит сопротивление металлических про­водников от температуры. Если взять метал­лический, например железный, проводник и нагревать его в пламени свечи (рис. 8.5, а), то сила тока в цепи будет уменьшаться. Если при этом напряжение на участке цепи поддерживается постоянным, то можно сде­лать вывод, что с повышением температуры сопротивление металлических проводников воз­растает. График такой зависимости изобра­жен на рисунке 8.6.

Если же нагревать полупроводниковое ве­щество (рис. 8.5, б), то сила тока в цепи бу­дет возрастать. Следовательно,

в отличие от металлических проводников, сопротивление которых при нагревании возрастает, сопро­тивление полупроводников уменьшается с по­вышением температуры (по крайней мере, в опреде­ленном интервале).

Именно по этому признаку и выбирают полупроводниковые вещества, которые ис­пользуются в современной технике. Причи­на такой зависимости состоит в том, что при нагревании полупроводников в них рез­ко возрастает количество свободных носите­лей заряда, которые могут образовывать ток. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Рис. 8.5. Сравнение зависимости сопро­тивления различных веществ от тем­пературы

Рис. 8.6. Графики зависимости сопро­тивлений металлов и полупроводников от температуры

Уменьшение сопротивления сернистого серебра (Ag₂S) еще в 1833 г. наблюдал вы­дающийся английский ученый М. Фарадей. Сегодня это свойство полупроводников ши­роко используется в приборах, которые на­зываются термисторами.

Термистор (терморезистор) — датчик темпе­ратуры в электрических термометрах, термо­регуляторах и т. п.

Позже, а именно в 1873 г., В. Смит наблюдал изменение сопротивле­ния кристаллического селена при освеще­нии, которое стало основанием для изго­товления фоторезисторов.

Фоторезистор — составная часть прибо­ров для измерения световых величин, вклю­чения света с наступлением темноты или его выключения с восходом солнца (так называемые фотореле).

Исследования показали, что на свойства полупроводников влияют рентгеновские лучи, радиоактивное излучение, магнитные по­ля, механические деформации и др. Со всего сказанного можно сделать вывод:

Полупро­водники — это вещества, по своему удельному сопротивлению занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлект­риками. Сопротивление полупроводников при нагревании уменьшается, оно также за­висит от освещения, различных видов излу­чения и т. п.

К полупроводникам относятся некоторые вещества, образованные химическими эле­ментами (силиций, германий, селен и др.), а также оксиды (Cu₂O, Zn и др.), сульфиды (Pb, Ag₂S, Cd и др.) и большое количество естественных и искусственных веществ. Ис­ключительно важные свойства полупровод­ников обусловили их широкое использо­вание в технике.

На этой странице материал по темам:

• Кратко что такое полупроводники

• Сообщение по технологии 8 класс полупроводники

• Исследования полупроводников история кратко

• Доклад на тему полупроводники по физике 8 класс

• Полупроводники сообщение 8 класс кратко

Вопросы по этому материалу:

• На рис. 8.5 изображены электрические цепи с металлическим и полупроводниковым (термистор) резисторами. Как будут изменя­ться показания гальванометров в обоих случаях, если резисторы подогревать?

• На одну плоскость металлической пластинки нанесено полупро­водниковое вещество, например селен. Как определить эту плос­кость?

Урок физики на тему «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников p-n типов. Полупроводниковый диод. Транзисторы»

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Урок в 10-м классе.

Тема: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р- и n—типов. Полупроводниковый диод. Транзисторы».

Цели:

• образовательные: сформировать представление о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках при наличии примесей с точки зрения электронной теории и опираясь на эти знания выяснить физическую сущность p-n-перехода; научить учащихся объяснять работу полупроводниковых приборов, опираясь на знания о физической сущности p-n-перехода;
• развивающие: развивать физическое мышление учащихся, умение самостоятельно формулировать выводы, расширять познавательный интерес, по­знавательную активность;
• воспитательные: продолжить формирование научного мировоззрения школьников.

Оборудование: презентация по теме: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р- и n—типов. Полупроводниковый диод. Транзистор», мультимедийный проектор. 

Ход урока

I. Организационный момент.

II. Изучение нового материала.

Слайд 1.

Слайд 2. Полупроводник – вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры, а это значит, что электрическая проводимость (1/R) увеличивается.

Наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

Слайд 3.

Механизм проводимости у полупроводников

Слайд 4.

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние Слайд 5.электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.

При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и они ведут себя как диэлектрики.

Полупроводники чистые (без примесей)

Если полупроводник чистый(без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика.

Собственная проводимость бывает двух видов:

Слайд 6. 1) электронная (проводимость «n » – типа)

При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны – сопротивление уменьшается.

Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности электрического поля.

Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

10¹⁷ 10²⁴

Слайд 7.

2) дырочная (проводимость » p» – типа)

При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном – «дырка».

Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение «дырки» равноценно перемещению положительного заряда.

Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость) и действием сильных электрических полей. Поэтому полупроводники обладают ещё и дырочной проводимостью.

Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей «p» и «n» -типов и называется электронно-дырочной проводимостью.

Полупроводники при наличии примесей

У таких полупроводников существует собственная + примесная проводимость.

Наличие примесей проводимость сильно увеличивает.

При изменении концентрации примесей изменяется число носителей электрического тока – электронов и дырок.

Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.

Существуют:

Слайд 8. 1) донорные примеси (отдающие) – являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.

Слайд 9. Это проводники » n » – типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда – электроны, а неосновной – дырки.

 Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью. Например – мышьяк.

Слайд 10. 2) акцепторные примеси (принимающие) – создают «дырки» , забирая в себя электроны.

Это полупроводники » p «- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда – дырки, а неосновной – электроны.

Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью. Слайд 11. Например – индий. Слайд 12.

Рассмотрим, какие физические процессы происходят при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости, или, как говорят, в р—n-переходе.

Слайд 13-16.

Электрические свойства «p-n» перехода

«p-n» переход (или электронно-дырочный переход) – область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).

В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.

При прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля электрический ток проходит через границу двух полупроводников.

Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

Пропускной режим р-n перехода:

При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.

Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

Запирающий режим р-n перехода:

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.

 

Полупроводниковые диоды

Полупроводник с одним «p-n» переходом называется полупроводниковым диодом.

– Ребята, запишите новую тему: «Полупроводниковый диод».
– Какой там ещё идиот?», – с улыбкой переспросил Васечкин.
– Не идиот, а диод! – ответил учитель, – Диод, значит имеющий два электрода, анод и катод. Вам ясно?
– А у Достоевского есть такое произведение – «Идиот», – настаивал Васечкин.
– Да, есть, ну и что? Вы на уроке физики, а не литературы! Прошу больше не путать диод с идиотом!

Слайд 17–21.

При наложении эл.поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико, в обратном – сопротивление мало.

Полупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.

Слайд 22–25.

Транзисторами называют полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

Полупроводниковые транзисторы – также используются свойства» р-n «переходов, — транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов.

В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как – то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами. Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем. Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer – преобразователь и resistor – сопротивление. В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р – n перехода. Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя – электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p – n – р. У транзистора структуры n – p – n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними – область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

 

При подаче на базу транзистора типа n-p-n положительного напряжения он открывается, т. е. сопротивление между эмиттером и коллектором уменьшается, а при подаче отрицательного, наоборот – закрывается и чем сильнее сила тока, тем сильнее он открывается или закрывается. Для транзисторов структуры p-n-p все наоборот.

Основой биполярного транзистора (рис. 1) служит небольшая пластинка германия или кремния, обладающая электронной или дырочной электропроводимостью, то есть n-типа или p-типа. На поверхности обеих сторон пластинки наплавляют шарики примесных элементов. При нагревании до строго определенной температуры происходи диффузия (проникновение) примесных элементов в толщу пластинки полупроводника. В результате в толще пластинки возникают две области, противоположные ей по электропроводимости. Пластинка германия или кремния p-типа и созданные в ней области n-типа образуют транзистор структуры n-p-n (рис. 1,а), а пластинка n-типа и созданные в ней области p-типа — транзистор структуры p-n-p (рис. 1,б).

Независимо от структуры транзистора его пластинку исходного полупроводника называют базой (Б), противоположную ей по электропроводимости область меньшего объема — эмиттером (Э), а другую такую же область большего объема — коллектором (К). Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором — коллекторный, а между базой и эмиттером — эмиттерный. Каждый из них по своим электрическим свойствам аналогичен p-n переходам полупроводниковых диодов и открывается при таких же прямых напряжениях на них.

Условные графические обозначения транзисторов разных структур о

ПОЛУПРОВОДНИКИ — это… Что такое ПОЛУПРОВОДНИКИ?



ПОЛУПРОВОДНИКИ

ПОЛУПРОВОДНИКИ, вещества, электропроводность которых при комнатной температуре имеет промежуточное значение между электропроводностью металлов (106-104 Ом-1 см-1) и диэлектриков (10-8-10-12 Ом-1). Характерная особенность полупроводников — возрастание электропроводности с ростом температуры; при низких температурах электропроводность полупроводников мала; на нее влияют свет, сильное электрическое поле, потоки быстрых частиц и т.д. Высокая чувствительность электропроводности к содержанию примесей и дефектов в кристаллах также характерна для полупроводников. К полупроводникам относится большая группа веществ (Ge, Si и др.). Носителями заряда в полупроводниках являются электроны проводимости и дырки. В идеальных кристаллах они появляются всегда парами, так что их концентрации равны. В реальных кристаллах, содержащих примеси и дефекты структуры, равенство концентраций электронов и дырок может нарушаться и проводимость осуществляется практически только одним типом носителей (смотри также Зонная теория, Твердое тело). Особенности полупроводников определяют их применение (смотри Полупроводниковые приборы).

Современная энциклопедия. 2000.

• ПОЛУОСТРОВ
• ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР

Смотреть что такое «ПОЛУПРОВОДНИКИ» в других словарях:

• ПОЛУПРОВОДНИКИ — широкий класс в в, характеризующийся значениями уд. электропроводности s, промежуточными между уд. электропроводностью металлов s=106 104 Ом 1 см 1 и хороших диэлектриков s=10 10 10 12 Ом 1см 1 (электропроводность указана при комнатной темп ре).… …   Физическая энциклопедия

• Полупроводники — вещества, 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 различных видов… …   Википедия

• полупроводники — ов; мн. (ед. полупроводник, а; м.). Физ. Вещества, которые по электропроводности занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. Свойства полупроводников. Производство полупроводников. // Электрические приборы и устройства,… …   Энциклопедический словарь

• ПОЛУПРОВОДНИКИ — ПОЛУПРОВОДНИКИ, ов, ед. ник, а, муж. (спец.). Вещества, электропроводность к рых при комнатной температуре меньше, чем у металлов, и больше, чем у диэлектриков. | прил. полупроводниковый, ая, ое. П. радиоприёмник (на полупроводниках). Толковый… …   Толковый словарь Ожегова

• ПОЛУПРОВОДНИКИ — вещества, электропроводность которых при комнатной температуре имеет промежуточное значение между электропроводностью металлов (106 104 Ом 1 см 1) и диэлектриков (10 8 10 12 Ом 1 см 1). Характерная особенность полупроводников возрастание… …   Большой Энциклопедический словарь

• Полупроводники — ПОЛУПРОВОДНИКИ, вещества, электропроводность которых при комнатной температуре имеет промежуточное значение между электропроводностью металлов (106 104 Ом 1 см 1) и диэлектриков (10 8 10 12 Ом 1). Характерная особенность полупроводников… …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

• ПОЛУПРОВОДНИКИ — класс веществ, который по удельной электрической проводимости является промежуточным между (см.) и (см.). Их электропроводность зависит от температуры, увеличиваясь при её повышении (в отличие от металлов), от количества и природы (см.),… …   Большая политехническая энциклопедия

• Полупроводники —         широкий класс веществ, характеризующихся значениями электропроводности σ, промежуточными между электропроводностью металлов (См. Металлы) (σ Полупроводники 106 104 ом 1 см 1) и хороших диэлектриков (См. Диэлектрики) (σ ≤ 10 10 10 12 ом… …   Большая советская энциклопедия

• Полупроводники — [semiconductors] широкий класс веществ, характеризующийся электропроводностью, промежуточной между электропроводностью металлов (106 104 Ом 1 • см 1) и диэлектриков (10 10 10 12Ом 1 • см 1 (указаны при комнатной температуре). Характерная… …   Энциклопедический словарь по металлургии

• ПОЛУПРОВОДНИКИ — в ва, характеризующиеся увеличением электрич. проводимости с ростом т ры. Хотя часто П. определяют как в ва с уд. электрич. проводимостью а, промежуточной между ее значениями для металлов (s ! 106 104 Ом 1 см 1) и для хороших диэлектриков (s ! 10 …   Химическая энциклопедия

Собственный полупроводник — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Собственный полупроводник или полупроводник i-типа или нелегированный полупроводник (англ. intrinsic — собственный) — это чистый полупроводник, содержание посторонних примесей в котором не превышает 10⁻⁸ … 10⁻⁹%. Концентрация дырок в нём всегда равна концентрации свободных электронов, так как она определяется не легированием, а собственными свойствами материала, а именно термически возбуждёнными носителями, излучением и собственными дефектами. Технология позволяет получать материалы с высокой степенью очистки, среди которых можно выделить непрямозонные полупроводники: Si (при комнатной температуре количество носителей n_i=p_i=1,4·10¹⁰ см⁻³), Ge (при комнатной температуре количество носителей n_i=p_i=2,5·10¹³ см⁻³) и прямозонный GaAs.

Полупроводник без примесей обладает собственной электропроводностью, которая имеет два вклада: электронный и дырочный. Если к полупроводнику не приложено напряжение, то электроны и дырки совершают тепловое движение и суммарный ток равен нулю. При приложении напряжения в полупроводнике возникает электрическое поле, которое приводит к возникновению тока, называемого дрейфовым током i_др. Полный дрейфовый ток является суммой двух вкладов из электронного и дырочного токов:

i_др= i_n+ i_p,

где индекс n соответствует электронному вкладу, а p — дырочному. Удельное сопротивление полупроводника зависит от концентрации носителей и от их подвижности, как следует из простейшей модели Друде. В полупроводниках при повышении температуры вследствие генерации электрон-дырочных пар концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне увеличивается значительно быстрее, нежели уменьшается их подвижность, поэтому с повышением температуры проводимость растет. Процесс гибели электрон-дырочных пар называется рекомбинацией. Фактически проводимость собственного полупроводника сопровождается процессами рекомбинации и генерации и если скорости их равны, то говорят что полупроводник находится в равновесном состоянии. Количество термически возбуждённых носителей зависит от ширины запрещённой зоны, поэтому количество носителей тока в собственных полупроводниках мало по сравнению с легированными полупроводниками и сопротивление их значительно выше.

Расчет равновесной концентрации свободных носителей заряда[править | править код]

Количество разрешённых состояний для электронов в зоне проводимости (определяемая плотностью состояний) и вероятность их заполнения (определяемая функцией Ферми — Дирака) и соответственные величины для дырок задают количество собственных электронов и дырок в полупроводнике:

n=Ncexp⁡−(Ec−EF)kT{\displaystyle n=N_{c}\exp {\frac {-(E_{c}-E_{F})}{kT}}},

p=Nvexp⁡Ev−EFkT{\displaystyle p=N_{v}\exp {\frac {E_{v}-E_{F}}{kT}}},

где N_c, N_v — константы определяемые свойствами полупроводника, E_c и E_v — положение дна зоны проводимости и потолка валентной зоны соответственно, E_F — неизвестный уровень Ферми, k — постоянная Больцмана, T — температура. Из условия электронейтральности n_i=p_iдля собственного полупроводника можно определить положение уровня Ферми:

EF=Ec+Ev2+kT2ln⁡NvNc≈Ec+Ev2{\displaystyle E_{F}={\frac {E_{c}+E_{v}}{2}}+{\frac {kT}{2}}\ln {\frac {N_{v}}{N_{c}}}\approx {\frac {E_{c}+E_{v}}{2}}}.

Отсюда видно, что в собственном полупроводнике уровень Ферми находится вблизи середины запрещённой зоны. Это даёт для концентрации собственных носителей

ni=pi=NcNvexp⁡−Eg2kT{\displaystyle n_{i}=p_{i}={\sqrt {N_{c}N_{v}}}\exp {\frac {-E_{g}}{2kT}}},

где E_g — ширина запрещённой зоны и N_c(v) определяется следующим выражением

Nc(v)=2(mc(v)kT2πℏ2)3/2=(mc(v)m0)3/2(T300)3/2×2.5×1019 (cm−3).{\displaystyle N_{c(v)}=2\left({\frac {m_{c(v)}kT}{2\pi \hbar ^{2}}}\right)^{3/2}=\left({\frac {m_{c(v)}}{m_{0}}}\right)^{3/2}\left({\frac {T}{300}}\right)^{3/2}\times 2.5\times 10^{19}\ ({\text{cm}}^{-3}).}

где m_c и m_v — эффективные массы электронов и дырок в полупроводнике, h — постоянная Планка. Отсюда видно, что чем шире запрещённая зона полупроводника, тем меньше собственных носителей генерируется при данной температуре, и чем выше температура, тем больше носителей в полупроводнике.