Зонная модель полупроводников (ПП). Вырожденные и невырожденные ПП. Уровень Ферми в ПП. Зависимость уровня Ферми от температуры, степени концентрации примеси

Промежуток времени, прошедший с момента генерации частицы, до ее рекомбинации называют временем жизни, а расстояние, пройденное частицей за время жизни - диффузионной длиной. Так как время жизни каждого из носителей различно, для однозначной характеристики ПП под временем жизни чаще всего понимают среднее время жизни, а под диффузионной длиной - среднее расстояние, которое проходит носитель за время жизни.

Диффузионная длина и время жизни ni и pi связаны соотношением:

;

,

где Ln, Lp-диффузионная длина;

tn, tp время жизни;

Dn, Dp - коэффициент диффузии.

Удельная проводимость ПП:

s=1/r=I/E=enmn=epmр

где р - удельное сопротивление ПП.

Собственная проводимость при Т=300К ничтожно мала, так как малая концентрация носителей и постоянная при заданной температуре .

Чтобы увеличить электропроводность ПП при заданной температуре надо ввести примесь.

Проводимость, вызванная наличием в кристалле ПП примесей атомов с иной валентностью, называется примесной.

Примеси, вызывающие в ПП увеличение свободных электронов называют донорами

(это в основном элементы As, Sb, P), а вызывающее увеличение дырок - акцепторами

(Al, In, B).

Особенности ПП с электронной проводимостью.

Если ввести атом вещества, имеющий пять валентных электронов, то четыре электрона вступают в связь с атомами например, германия, а пятый остается лишним и при Т=300 градусов становится свободным.

Для того чтобы примесная проводимость преобладала над собственной (ni), надо вводить примесь порядка Nд = 1016см-3. Такой кристалл с электронной проводимостью обозначают на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 - ПП с электронной проводимостью

Рисунок 5.3 - Электрическая диаграмма и графики Ферми-Дирака для ПП с электронной проводимостью

Атомы примеси отдают энергию уровнями больше чем уровни собственного ПП, поэтому уровни донора расположены вблизи зоны проводимости ПП на уровне ΔWn=0.05эВ. Так как при Т=300 градусов сообщается ΔW=0.026Эв, то все электроны с примесного уровня переходят в зону проводимости ПП. Поэтому кривая распределения Ферми-Дирака и уровень Ферми Wf смещаются вверх, что увеличивает количество свободных электронов в ПП.

Особенности ПП с дырочной проводимостью.

Рисунок 5.4 - Кристалл с акцепторной примесью

Валентные электроны атомов акцепторной примеси расположены на энергетическом уровне, находящегося в непосредственной близости от зоны валентных электронов собственного ПП.

Рисунок 5.5 - Энергетическая диаграмма и графики Ферми-Дирака

Валентные электроны ПП легко переходят на примесные уровни акцептора, следовательно, в валентной зоне ПП появляется большое число дырок. Они будут заполняться другими электронами валентной зоны, на месте которых образуются новые дырки, и т.д. Появляется возможность последовательного смещения электронов в валентной зоне, что обуславливает повышение проводимости. Кривая Ферми-Дирака и уровень Ферми смещаются вниз.

Интересное из раздела

Фазовращатели фазированных антенных решеток
фазовращатель фазированный антенный решетка Представим себе высоконаправленную антенну, обеспечивающую связь с искусственным спутником Земли (ИСЗ). Такая ант ...

Устройство оперативной памяти статического типа емкостью 12 Кб для микропроцессора Intel 8080
Одним из ведущих направлений развития современной микроэлектронной элементной базы являются большие интегральные микросхемы памяти, которые служат основой д ...

Исследование и расчет двухполюсников и четырехполюсников
В соответствии с заданием сопротивления ДП, входящих в исследуемый ЧП, имеют следующий вид, Ом: Z1(p) = , (1.1) Z2(p) = , ...