Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Стартовая страница

О системе

Технические требования

Синтез

Обучающий модуль

Справка по системе

Контакты

Искать: Сайт ЕНЭ НТЭ

Расширенный   Формализованый   По связи разделов

А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я

• Естественнонаучные эффекты (ЕНЭ)

	Примесная проводимость полупроводников

Анимация

Описание

Примесной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная электронами, которые перешли в зону проводимости с донорных уровней Ed, расположенных вблизи Ec, и дырками, которые образовались в валентной зоне при переходе электронов на акцепторные уровни Ea, расположенные вблизи Ev (рис. 1а, 1б).

Примесный полупроводник n-типа

Рис. 1а

Примесный полупроводник p-типа

Рис. 1б

Обычно донорные и акцепторные уровни в запрещенной зоне полупроводника образуются при легировании, т.е. введением определенной примеси в собственный полупроводник. Таким образом можно сказать, что примесная проводимость обусловлена ионизацией атомов примеси в полупроводнике.

В полупроводниках IV группы таблицы Менделеева (Ge, Si) донорные уровни вблизи Ec образуют элементы V группы (Sb, As), а  акцепторные уровни вблизи Ev - элементы III группы (In, Ga).

Величина примесной проводимости:

sпр = e(mnn + mpp),

где n - концентрация электронов с доноров в зоне проводимости;

p - концентрация дырок с акцепторов в валентной зоне;

mn; mp - подвижности электронов и дырок, соответственно.

        Если примесная проводимость обусловлена в основном электронами с донорных уровней  (mnn >> mpp), т.е. электроны являются основными носителями заряда, то говорят об электронной проводимости полупроводников, или полупроводниках n-типа; если же преобладает проводимость, обусловленная дырками, образовавшимися вследствие ухода электронов на  акцепторные уровни (mpp >> mnn), то говорят о дырочной проводимости, или полупроводниках p-типа, где основными носителями заряда являются дырки. Если в полупроводниках n-типа (p-типа) глубина примесного уровня Ed (или Ea) в данной области температура Т меньше, чем kT (k - постоянная Больцмана), то практически все доноры полностью ионизированы (или акцепторы заполнены электронами)(см. рис. 2а, 2б).

Примесный полупроводник n-типа

Рис. 2а

Примесный полупроводник p-типа

Рис. 2б

Если в этой области температура и собственная проводимость мала, т.е. Nd или Na >> ni = pi (Nd - концентрация доноров, Na - концентрация акцепторов ni, pi - концентрации собственных носителей), то концентрация основных носителей заряда равна примерно концентрации донорной (или акцепторной) примесей:

n≅Nd (в полупроводнике n-типа);

n≅Na (в полупроводнике p-типа);

        В общем случае, т.е. при неполной ионизации примесей и наличии собственной проводимости, концентрации носителей заряда определяются формулами:

n = 2(2pmn*kT / h2)3/2exp(Ef /kT);

p = 2(2pmp*kT / h2)3/2exp(-Ef DE /kT),

где mn*, mр* - эффективные массы электронов и дырок в полупроводнике;

Ef - глубина уровня Ферми, зависящая от параметров примесных уровней.

Например, при T=300 K, в Ge (DE = 0,78 эВ) при Nd = 1021 м-3, n = 1017 м-3.

Величина примесной проводимости при этой температуре:

sпр = 5·101 Ом -1м -1.

Ключевые слова

• полупроводник
• дырка
• электрон
• примеси
• доноры
• акцепторы
• концентрация примеси
• глубина уровня

Разделы наук

• Полупроводники
• Твердые тела

Применение эффекта

Использующие явление примесной проводимости термисторы используются как датчики температуры. Принцип действия такого основан на изменении величины тока в цепи датчика при изменении температуры. Ток датчика изменяется из-за изменения примесной проводимости полупроводника. Например, термисторы из n - Ge  с донорной примесью As применяются при измерении температуры жидкого гелия.

Кроме того, p-n переход, являющийся основой любых полупроводниковых электронных элементов, является следствием контакта двух полупроводников с примесными проводимостями.

Реализации эффекта

Техническая реализация эффекта

Техническая реализация - термистор (терморезистор). В среде с температурой T находится образец примесного полупроводника, например, n - Ge с примесью As. 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