|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Собственная проводимость полупроводников |
 | |
Анимация
Описание
При T=0 K все собственные электроны полупроводника находятся в валентной зоне, целиком заполняя её (рис. 1).
Энергетическое распределение электронов в валентной зоне при нулевой температуре
Рис. 1
С повышением температуры тепловое движение "выбрасывает" в зону проводимости электроны из валентной зоны, при этом в валентной зоне остаются "пустые" состояния, которые называются дырками (рис. 2).
Энергетическое распределение электронов в валентной зоне и зоне проводимости при ненулевой температуре
Рис. 2
Собственной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная движением под действием электрического поля одинакового числа свободных электронов и дырок, образовавшихся вследствие перехода электронов полупроводника из валентной зоны в зону проводимости. В идеальном полупроводнике при собственной проводимости концентрации электронов (ni) и дырок (pi) равны и много меньше числа уровней в валентной зоне и зоне проводимости. Поэтому свободные электроны занимают уровни вблизи дна зоны проводимости Ec, а свободные дырки - вблизи потолка валентной зоны Ev (рис. 1). При этом:
ni = pi = A exp(-DE/2kT), (1)
где A=4,82·1015T 3/2(mn*mp*/m2)3/4;
mn*, mp* - эффективные массы электрона и дырки;
m - масса электрона;
k - постоянная Больцмана;
DE - ширина запрещенной зоны полупроводника;
T - абсолютная температура (дыркам приписывается эффективная масса mp, равная по абсолютной величине эффективной массе того электрона, который занял бы это валентное состояние, но с противоположным знаком; эффективная масса электрона в валентной зоне вблизи Ev отрицательна).
В общем случае эффективная масса зависит от направления движения носителя, что отражает анизотропию кристалла.
Для образования пары электрон - дырка, т.е. для возникновения собственной проводимости, необходимо, чтобы температура полупроводника была отлична от нуля.
Для Ge, например (DE=0,785 эВ), при Т=300 К ni=pi@2,5·1019 м-3.
Величина собственной проводимости:
, (2)
где mn, mp - подвижности электронов и дырок, связанные с временем их свободного пробега (tn, tp):
mn = etn /mn*, ... mp = etp /mp*.
При Т=300 К
s = 2,1 Ом-1м-1 для Ge (mn = 0,37 м2/В·с; mp = 0,18 м2/В·с);
s = 2·10-4 1Ом-1м-1 для Si (mn = 0,17 м2/В·с; mp = 0,025 м2/В·с).
Собственная проводимость наблюдается только в очень чистых (без примесей) и совершенных (без дефектов) полупроводниках, в основном при достаточно высоких температурах.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Использующие явление собственной проводимости термисторы используются как датчики температуры. Принцип действия такого датчика основан на изменении тока в цепи датчика при нагреве вследствие явления собственной проводимости: Jдатчика = s(T)·E, где E - поле внутри полупроводника.
Реализации эффекта
Техническая реализация - термистор (терморезистор). В среде с температурой T находится образец собственного полупроводника, например, Ge. Измеряя зависимость проводимости образца от температуры, убеждаемся, что при охлаждении проводимось уменьшается. Если построить эту зависимость в логарифмических координатах, то видно, что она стремится к нулю при абсолютном нуле температуры.
Литература
1. Физический энциклопедический словарь. - М., 1982.
2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Мир, 1984.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
