Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach

Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach
Przewodniki samoistne i niesamoistne
Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.
Zadania elektroniki:
Urządzenia elektroniczne służą do przetwarzania i przesyłania
informacji w postaci analogowej i cyfrowej oraz do przekształcania
energii elektrycznej (energoelektronika).
Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach
Przewodniki, półprzewodniki i izolatory
Wzajemne ułożenie pasm energetycznych i ich zapełnienie przez
elektrony warunkuje właściwości elektryczne ciał stałych i jest
podstawą ich podziału na metale, półprzewodniki i dielektryki.
W przypadku metali istnieje pasmo energetyczne zapełnione
tylko częściowo.
Poniżej wszystkie pasma są zajęte, powyżej - wszystkie puste.
Przykładem takiego ciała jest sód, w który pasmo 3s jest
zapełnione tylko do połowy. Podobna sytuacja występuje w
innych metalach alkalicznych. Pasmo zapełnione tylko częściowo
może także powstać w wyniku nałożenia się pasm całkowicie
zapełnionych z pasmami pustymi lub częściowo obsadzonymi.
Drugą grupę ciał stanowią półprzewodniki. Półprzewodnikami
nazywamy takie ciała stałe w których w temperaturze 0 K pasmo
walencyjne (i pasma niższe) są całkowicie zapełnione, a pasmo
przewodnictwa całkowicie puste;
przy czym
przerwa
energetyczna między pasmem walencyjnym a pasmem
przewodnictwa jest niewielka – około 1 eV [rys. 16.11c]. Umownie
półprzewodnikami przyjęto nazywać wszystkie ciała, których
przerwa energetyczna Eg jest mniejsza od 3 eV. Wskutek
wzbudzeń cieplnych, niektóre elektrony mogą uzyskać
dostateczną energię do pokonania przerwy energetycznej i
przejść do pasma przewodnictwa. Elektrony te znajdujące się w
paśmie częściowo zapełnionym są elektronami swobodnymi. Im
wyższa temperatura, tym większa jest koncentracja elektronów w
paśmie przewodnictwa. W większości półprzewodników już w
temperaturze
pokojowej
koncentracja
elektronów
jest
dostatecznie duża i kryształ wykazuje znaczną przewodność
elektryczną.
Zwróćmy uwagę na to, że pole elektryczne nie jest w stanie
nadać elektronom energii wystarczającej do pokonania przerwy
energetycznej. Jeśli bowiem średnia droga swobodna elektronu
wynosi około 10–8 m, to w polu elektrycznym o natężeniu
104 V/m uzyskuje on energię 10–4 eV. Jest to zdecydowanie zbyt
mała energia aby elektron mógł przejść z jednego pasma do
drugiego.
Półprzewodnikami
nazywamy
materiały,
które
w
temperaturze
zera
bezwzględnego
mają
całkowicie
obsadzone pasmo walencyjne i całkowicie puste pasmo
przewodnictwa, a szerokość pasma zabronionego nie
przekracza 3 eV.
Pod wpływem wzbudzeń termicznych część elektronów uzyskuje
wystarczającą energię do pokonania przerwy energetycznej i
przechodzi do pasma przewodnictwa, gdzie stają się swobodnymi
nośnikami prądu. Jednocześnie w paśmie walencyjnym powstają
dziury.
W półprzewodnikach występują dwa rodzaje nośników: elektrony
i dziury, stąd przy przepływie prądu mówimy o przewodnictwie
elektronowym i dziurowym.
Konduktywność półprzewodników zmienia się w przedziale
od 10–8 do 106 (Ωcm)–1.
Półprzewodniki samoistne i niesamoistne
Półprzewodniki
wykazują
własności
pośrednie
między
przewodnikami i dielektrykami. Przewodzą one prąd pod wpływem
takich
czynników,
jak
temperatura,
promieniowanie
elektromagnetyczne czy domieszki innych materiałów.
Możemy podzielić je na:
Półprzewodniki samoistne do których zaliczamy german i krzem
Półprzewodniki niesamoistne, w których liczbę swobodnych
nośników ładunku elektrycznego zwiększono poprzez zastosowanie
domieszek.
W zależności od rodzaju domieszki, półprzewodniki niesamoistne
dzielimy na:
półprzewodniki typu N (negative) - domieszkowane atomami
pierwiastka pięciowartościowego (np. arsenem, antymonem,
fosforem) - donorowe
półprzewodniki typu P (positive) – domieszkowane atomami
pierwiastka trójwartościowego (np. glinem lub borem) akceptorowe
Literatura:
J.Nowicki „Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla ZSN” WSiP 1999