Напівпровідник: відмінності між версіями
| [перевірена версія] | [перевірена версія] |
Вилучено вміст Додано вміст
Shkod (обговорення | внесок) →Джерела: вікіфікація |
Shkod (обговорення | внесок) доповнення |
||
Рядок 1:
'''
▲'''Напівпровідни́ки''' — матеріали, [[електропровідність]] яких має проміжне значення між провідностями [[Провідник (фізика)|провідника]] та [[діелектрики|діелектрика]]. Відрізняються від провідників сильною залежністю питомої провідності від концентрації домішок, температури і різних видів випромінювання. Основною властивістю цих матеріалів є збільшення електричної провідності з ростом температури.
Напівпровідниками є речовини, ширина забороненої зони яких становить близько кількох [електронвольт] (еВ). Наприклад, [[алмаз]] можна віднести до широкозонних напівпровідників, а [[арсенід індію]]
Залежно від того, чи віддає домішковий атом електрон, чи захоплює
Провідність напівпровідників сильно залежить від температури. Поблизу абсолютного нуля температури напівпровідники мають властивості діелектриків.
Рядок 11 ⟶ 10:
Характерна риса напівпровідників — зростання [[електропровідність|електропровідності]] зі зростанням [[температура|температури]]. При низьких температурах електропровідність мала. При температурі близькій до [[абсолютний нуль|абсолютного нуля]] напівпровідники мають властивості [[Діелектрики|ізоляторів]]. [[Кремній]], наприклад, при низькій температурі погано проводить [[електричний струм]], але під впливом [[Світло|світла]], тепла чи [[напруга|напруги]] електропровідність зростає.
== Механізм електричної провідності напівпровідників ==
=== Види носіїв заряду у напівпровідниках ===
Напівпровідники характеризуються як властивостями провідників, так і [[діелектрики|діелектриків]]. У напівпровідникових кристалах атоми встановлюють [[ковалентний зв'язок|ковалентні зв'язки]] (тобто, один електрон у кристалі кремнію, пов'язаний двома атомами), електронам для вивільнення з атома потрібен рівень внутрішньої енергії (1,76{{e|-19}} Дж проти 11,2 {{e|-19}} Дж у діелектриків, чим і характеризується відмінність між напівпровідниками та діелектриками). Ця енергія з'являється у них при підвищенні температури (наприклад, при кімнатній температурі рівень енергії теплового руху атомів дорівнює 0,04{{e|-19}} Дж), і окремі електрони отримують енергію, достатню для відривання від ядра.
Під час розриву зв'язку між електроном і ядром з'являється вільне місце в електронній оболонці атома. Це обумовлює перехід електрона з іншого атома на атом з вільним місцем. На атом, звідки перейшов електрон, входить інший електрон з іншого атома і т. д. Цей процес обумовлюється ковалентними зв'язками атомів. Таким чином, відбувається переміщення позитивного заряду без переміщення самого атома. Цей умовний позитивний заряд називають [[Дірка (квазічастинка)|діркою]].
З ростом температури число вільних електронів і дірок збільшується, тому у напівпровіднику, що не містить домішок, питомий електричний опір зменшується. Умовно прийнято вважати напівпровідниками елементи з енергією зв'язку електронів меншою від 1,5…2 еВ. Електронно-дірковий механізм електричної провідності проявляється у ''власних напівпровідників'' (тобто у хімічно чистих з ідеально правильними кристалічними ґратками). Він називається ''власною провідністю'' напівпровідників. Згідно із зонною теорією твердих тіл власна провідність напівпровідника пов'язана з тим, що в результаті теплового збудження частина електронів перекидається з [[валентна зона|валентної зони]] Е<sub>в</sub> у [[зона провідності|зону провідності]] Е<sub>п</sub>. Ці електрони називають ''електронами провідності''; під дією зовнішнього електричного поля вони набувають у напівпровіднику впорядкованого руху (дрейфу), утворюючи електричний струм.
Електрони, що залишилися у валентній зоні, теж беруть участь у створенні електричного струму, переходячи під дією поля на звільнені енергетичні рівні поблизу «стелі» валентної зони. Цей рух можна розглядати як рух позитивно заряджених носіїв заряду — дірок. Зазвичай рухливість дірок у напівпровіднику є нижчою від рухливості електронів провідності.
Між зоною проводіності Е<sub>п</sub> і валентною зоною Е<sub>в</sub> розташовується [[Заборонена зона|зона заборонених значень]] енергії електронів Е<sub>з</sub>. Різниця Е<sub>п</sub>−Е<sub>в</sub> відповідає ширині забороненої зони Е<sub>з</sub>. З ростом ширини Е<sub>з</sub> число електронно-діркових пар і провідність власного напівпровідника зменшується, в питомий опір зростає. Концентрація дірок у власному напівпровіднику дорівнює концентрації електронів провідності.
=== Рухливість носіїв заряду ===
''[[Рухливість носіїв заряду|Рухливістю носіїв струму]]'' <math>\mu</math> називають коефіцієнт пропорційності між дрейфовою швидкістю<ref>Дрейфова швидкість - середня швидкість упорядкованого руху V, викликана впливом на електрони за допомогою зовнішнього поля</ref> <math>\vec v</math> носіїв струму і величиною напруженості <math>\vec E</math> прикладеного [[Електричне поле|електричного поля]]
: <math>\vec v = \mu \vec E.</math>
При цьому, взагалі то, рухливість є [[тензор]]ом:
: <math>\ v_\alpha = \mu_{\alpha\beta} E_\beta.</math>
Рухливість [[електрон]]ів і дірок залежить від їхньої концентрації у напівпровіднику. При великій концентрації носіїв [[Електричний заряд|заряду]], [[імовірність]] зіткнення між ними зростає, що приводить до зменшення рухливості і провідності.
[[Розмірність фізичної величини|Розмірність]] рухливості — [[квадратний метр|м²]]/([[Вольт|В]]•[[Секунда|с]]).
=== Власна концентрація носіїв заряду ===
За термодинамічної рівноваги, концентрація електронів у напівпровіднику пов'язана з температурою таким співвідношенням:
: <math>\bar n=\frac{2}{h^3}(2\pi mkT)^{3/2}e^{-\frac{E_C-E_F}{kT}}</math>
де: <math>h</math> — [[стала Планка]];
: <math>m</math> — маса [[електрон]]а;
: <math>T</math> — [[абсолютна температура]];
: <math>E_C</math> — рівень зони провідності;
: <math>E_F</math> — [[Енергія Фермі|рівень Фермі]].
Також, концентрація дірок напівпровідника пов'язана з температурою таким співвідношенням:
: <math>\bar p=\frac{2}{h^3}(2\pi mkT)^{3/2}e^{-\frac{E_F-E_V}{kT}}</math>
де: <math>h</math> — [[стала Планка]].
: <math>m</math> — ефективна маса дірки;
: <math>T</math> — [[абсолютна температура]];
: <math>E_F</math> — [[Енергія Фермі|рівень Фермі]];
: <math>E_V</math> — рівень валентної зони.
Власна концентрація <math>n_i</math> пов'язана p <math>\bar n</math> nf <math>\bar p</math> таким співвідношенням:
: <math>\bar n \bar p=n_i^2.</math>
=== Домішкова провідність ===
[[Файл:N type semiconductor.png|thumb|300px|<center>Напівпровідник n-типу</center>]]
[[Файл:P type semiconductor.png|thumb|300px|<center>Напівпровідник p-типу</center>]]
Домішковою провідністю напівпровідників називають їхню електропровідність, зумовлену наявністю домішкових центрів. Домішковими центрами (домішками) вважають:
* атоми сторонніх елементів;
* надлишкові (порівняно зі стехіометричним складом) атоми елементів, що входять до напівпровідників;
Всілякі дефекти кристалічних ґраток: порожні вузли, атоми або іони, вкраплені між вузлами ґратки, зсуви, пов'язані з пластичною деформацією кристала, тріщини тощо.
Домішки вносять зміни у періодичне електричне поле кристала і впливають на рух електронів та їхні енергетичні стани. Енергетичні рівні валентних електронів домішкових атомів не розташовуються у дозволених енергетичних зонах основного кристала, а утворюють домішкові енергетичні рівні (локальні рівні), що розташовані у забороненій зоні.
Домішки можуть слугувати додатковими джерелами електронів у кристалі. Наприклад при заміщенні одного чотиривалентного атома германію п'ятивалентним атомом фосфору, миш'яку або сурми один електрон не може утворити ковалентний зв'язок і є «зайвим».
Енергетичний рівень такого електрона розташовується нижче від зони провідності. Такі рівні, заповнені електронами, називають ''атомами-донорами''. Для переведення електронів з донорних рівнів у незаповнену зону провідності потрібна порівняно мала енергія. Наприклад, для кремнію ΔW<sub>n</sub> = 0,054 еВ, у випадку коли домішкою є миш'як. У результаті переведення електронів з донорних рівнів у зону провідності у напівпровіднику виникає ''електронна домішкова провідність''. Напівпровідники такого типу називають ''електронними'' або ''напівпровідниками n-типу''.
Для випадку тривалентної домішки (бор, алюміній, індій) у кристалі германію бракує одного електрона для утворення ковалентних зв'язків з 4-ма сусідніми атомами германію. Цей електрон можна отримати з валентної зони напівпровідника з утворенням у цій зоні дірки. Такі домішки називають ''акцепторними'', а їхні локальні енергетичні рівні, які називають ''акцепторними рівнями'', перебувають у забороненій зоні напівпровідника на невеликій відстані від «стелі» валентної зони. Такі домішкові напівпровідники мають за низької температури ''діркову провідність'' або ''провідність p-типу'' а напівпровідники називають ''напівпровідниками p-типу''.
== Зонна структура ==
Рядок 42 ⟶ 100:
== Типи напівпровідників в періодичній системі елементів ==
Неорганічні напівпровідники розділяють на типи:
* Одноелементні напівпровідники IV групи періодичної системи елементів. За сучасною хімічною класифікацією ця група називається [[група 14 періодичної системи елементів]], але в фізиці заведено використовувати стару термінологію.
* Складні: двоелементний A<sup>III</sup> B<sup>V</sup> і A<sup>II</sup> B<sup>VI</sup> з третьої і п'ятої групи, і з другої і шостої групи елементів відповідно.
Всі типи неорганічних напівпровідників мають цікаву залежність ширини забороненої зони від періоду, а саме
== Використання ==
Кремній найчастіше використовується в [[діод]]ах, [[світлодіод]]ах, [[транзистор]]ах, випрямлячах і [[інтегральна схема|інтегральних схемах]] ([[Мікросхема|чипах]]), [[сонячний елемент|сонячних елементах]]. Окрім кремнію широко використовуються [[арсенід галію]], [[арсенід алюмінію]], [[германій]] та багато інших. В останні роки дедалі популярніші [[органічний напівпровідник|органічні напівпровідники]], які застосовуються, наприклад, у копіювальній техніці.
Рядок 184 ⟶ 243:
|місто=М.
|сторінок=560}}
* Схемотехніка електронних систем: У 3 кн. Кн. 1. Аналогова схемотехніка та імпульсні пристрої: Підручник / В.
[[Категорія:Напівпровідники|*]]
| |||