Электрические свойства материалов

Как и в металлах, электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом носителей заряда. Но если в металлах наличие свободных электронов обусловлено природой металлической связи, то появление носителей заряда в полупроводниках определяется рядом факторов, важнейшими из которых являются чистота материала и температура.

Собственные полупроводники.Полупроводник, в котором в результате разрыва связей образуется равное количество свободных электронов и дырок, называется собственным.

Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Полупроводник, имеющий примеси, называется примесным, а проводимость, созданная введенной примесью, называется примесной проводимостью.

Компенсированные полупроводники.Полупроводник с акцепторными примесями называется дырочным полупроводником или р-типа. В полупроводниках могут одновременно содержаться донорная и акцепторная примеси. Такие полупроводники называются компенсированными.

Электропроводность полупроводников. Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность, то есть способность проводить электрический ток под воздействием постоянного (не изменяющегося во времени) электрического напряжения. Если полупроводник находится в электрическом поле с напряженностью Е, то имеющиеся в нем свободные носители заряда приобретают под действием этого поля направленное движение. Такое упорядоченное движение электрических зарядов и есть электрический ток.

 Рис. 3.1.

Классификация полупроводников

В собственном полупроводнике носителями заряда являются свободные электроны и дырки, концентрации которых одинаковы. При наличии внешнего электрического поля плотность электронной составляющей тока, который протекает через собственный полупроводник, то есть число электрических зарядов, переносимых за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению электрического поля,

,                       (3-1)

где q=1,6·10^-19 - заряд электрона, Кл; n - концентрация электронов зоны проводимости, м^-3; v_n - средняя скорость упорядоченного движения электронов, возникшая под действием электрического поля (дрейфовая скорость), м/с.

Обычно скорость v_n пропорциональна напряженности поля:

,                 (3-2)

где m_n - коэффициент пропорциональности, называемый подвижностью, м²/(В·с).

С учетом формулы (3-2) уравнение (3-1) можно представлять в виде закона Ома в дифференциальной форме:

,

где  - удельная электрическая проводимость полупроводника, обусловленная электронами, См/м; r=1/g - удельное электрическое сопротивление, Ом·м. Аналогично, дырочная составляющая плотности тока для собственного полупроводника:

,

где p- концентрация дырок валентной зоны, м^-3; m_p - подвижность дырок, м²/(В·с). Удельная электрическая проводимость полупроводника, обусловленная дырками

.

Суммарная плотность тока через собственный полупроводник

.

Удельная электрическая проводимость собственного полупроводника

.

В примесном полупроводнике при комнатной температуре примесь полностью ионизирована и, следовательно, проводимость определяется свободными подвижными носителями заряда, электронами и дырками в n- и р- полупроводниках соответственно:

,

,

где n_n и р_р - концентрация основных носителей заряда электронов и дырок соответственно.

Так как концентрация и подвижность свободных носителей заряда зависят от температуры, то и удельная проводимость также зависит от температуры.

Фотопроводимость полупроводников. Перевод электрона в свободное состояние или образование дырки может осуществляться также под воздействием света. Энергия падающего на полупроводник света передается электронам. При этом энергия, передаваемая каждому электрону, зависит от часто­ты световых колебаний и не зависит от яркости света (силы света). С увеличением яркости света возрастает число поглощающих свет электронов, но не энергия, получаемая каждым из них. Энергия фотона

,

где h - постоянная Планка; v - частота световых колебаний; l, -длина волны падающего света, выражаемая в микрометрах.

Рис. 3.3 Электропроводность примесных полупроводников

Фотопроводимость полупроводника определяется как разность удельной электропроводности при освещении и в темноте:

.

Темновая электропроводность . Электропроводность полупроводника при действии на него света , где dn - дополнительное число электронов, образовавшихся в по­лупроводнике вследствие облучения его светом. Таким образом, фотопроводимость .

Освобожденные светом электроны находятся в зоне проводи­мости очень короткое время (10^-3...10^-7 с). При непре­рывном освещении полупроводника устанавливается динамичес­кое равновесие между образующимися дополнительными (нерав­новесными) носителями и уходящими на нижние уровни, т.е. устанавливается динамическое равновесие между процессами ге­нерации носителей заряда и их рекомбинацией.

С понижением температуры уменьшается темновая проводимость, служащая фоном, на котором появляется фотопроводимость, поэтому значение фотопроводимости возрастает.