Механизмы электропроводности

Механизмы электропроводности

Механизмы электропроводности

Существует классификация веществ в зависимости от их проводимости. Так, к проводникам относят вещества, удельная проводимость которых лежит в диапазоне ${10}6-{10}8\frac{См}{м}$, к диэлектрикам вещества с удельной проводимостью меньше ${10}{-6}\frac{См}{м}$ .

Полупроводники лежат внутри этого диапазона, их проводимость может быть от ${10}{-4}\ до$ ${10}4\frac{См}{м}$. Такая классификация весьма условна и неточна. Так, у полупроводника с ростом температуры проводимость растет и при комнатной температуре может быть такой же, как и у проводника.

При температурах около абсолютного нуля полупроводники являются диэлектриками. К проводникам относят, прежде всего, металлы.

Механизм электропроводности в металлах

Задолго до открытия электронов было экспериментально показано, что прохождение тока в металлах не связано с переносом вещества, атомы и молекулы металлов не принимают участия в переносе тока.

Атомы металла, находящегося в твёрдом (или жидком) состоянии, расщепляются на несколько электронов и положительный ион. Ионы находятся в узлах кристаллической решетки и совершают колебания около положения равновесия. Они составляют «твердый скелет» металлического тела.

Электроны же пребывают в свободном беспорядочном движении в промежутках между ионами и составляют так называемый «электронный газ». При отсутствии внешнего электрического поля электроны совершают хаотичное, тепловое движение.

Внешнее поле ведет к упорядочению движения электронов, то есть возникновению электрического тока. Электроны в процессе движения сталкиваются с ионами кристаллической решетки, передают ионам избыток кинетической энергии, которую они получили при взаимодействии с полем.

Это приводит к интенсификации колебаний ионов, то есть нагреванию металла.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Все металлы не только хорошие проводники электрического тока, но и имеют высокую теплопроводность.

С точки зрения представления о механизме тока в металлах, это совпадение объясняется не просто случайностью, а является следствием одной общей причины — наличием в металлах свободных электронов.

В металлах теплопередача происходит не только посредством столкновения атомов, но и свободными, легко подвижными электронами, которые переносят дополнительную энергию в веществе.

Прямое доказательство того, что носителями тока в металлах являются электроны дали опыты Р.Ч. Толмена. Он измерил силу электрического тока, который появляется в металле, когда металлическому телу сообщают ускорение. Возникновение тока вызывается отставанием электронов от движения кристаллической решетки вещества.

То, что в проводниках существуют свободные электроны, объясняют тем, что при образовании кристаллической решетки от атомов металла отделяются валентные (самые слабо связанные) электроны, которые становятся общей собственностью всего вещества.

Механизм электропроводности полупроводников

Особый интерес представляют электронные полупроводники. В таких полупроводниках носителями тока являются, как и в металлах, электроны. Различие в проводимости металлов и полупроводников связано с очень большой разницей в концентрации носителей тока.

В полупроводниках концентрация электронов в свободном состоянии в тысячи раз меньше, чем в металлах. В полупроводнике постоянно идут два противоположных процесса: процесс освобождения электронов, при этом используется внутренняя или световая энергия; процесс воссоединения с ионом, который потерял свой электрон.

Равновесие между свободными и связанными электронами динамическое. Для того чтобы в полупроводнике перевести электрон из связанного состояния в свободное, необходимо сообщить ему дополнительную энергию. В металлах даже при низких температурах количество свободных электронов велико.

Силы межмолекулярного взаимодействия в металлах достаточно для освобождения части электронов.

Сравнительно немногочисленные свободные электроны полупроводника, оторвались от атомов, при этом атомы стали ионами. Каждый ион окружен большим количеством атомов, которые не заряжены. Нейтральные атомы могут отдать свой электрон иону, превращаясь в ион, а ион становится нейтральным.

Так, обмен электронами ведет к изменению местоположения положительных ионов в полупроводнике, то есть положительный заряд перемещается.

До тех пор пока на полупроводник внешнего поля нет в среднем каждому электрону, который смещается в одном направлении, соответствует перемещение электрона в противоположном направлении. Аналогичный процесс идет с положительным зарядом.

При наложении внешнего поля процессы получают преимущественное направление: свободные электроны движутся в направлении противоположном полю, положительные места — по полю. Возникает ток одного направления (по полю), проводимость вызывается этими двумя процессами.

Место, где вместо нейтрального атома имеется положительный ион, называют дыркой. Надо отметить, что фактически всегда имеет место только движение электронов, но движение связанных электронов от атомов к ионам ведет к результату, при котором будто бы движутся дырки, которые имеют положительный заряд.

Механизм электропроводности полупроводников описывает зонная теория. Она базируется на анализе энергетического спектра электронов. Электронный спектр разбивается на зоны, разделенные запрещенными промежутками.

В том случае, если в верхней зоне имеющей электроны, ими заполнены не все квантовые состояния, то есть в пределах зоны имеется возможность перераспределения энергии и импульсов электронов, то данное вещество является проводником электрического тока.

Движение электронов в зоне проводимости подчиняются квантовым законам.

Интерпретация разных свойств вещества с точки зрения движения и существования электронов является содержанием электронной теории. В классической теории металлов считают, что движение электрона описывают законы Ньютоновой механики.

В этой теории считают, что взаимодействие электронов между собой несущественно, а взаимодействие ионов и электронов осуществляется только как соударения. Это значит, что электроны проводимости рассматривают как электронный газ, который подобен идеальному одноатомному газу.

Такой газ хорошо изучен и его свойства описаны. В частности он подчиняется закону равномерного распределения энергии по степеням свободы.

В соответствии с этим законом средняя кинетическая энергия теплового движения, которая приходится на каждую степень свободы, равна $\frac{1}{2}kT$, где $k=1,38\cdot {10}{-23}\frac{Дж}{К}$, $T$ — термодинамическая температура. Средняя энергия теплового движения одного электрона равна:

\[\frac{m\left\langle v2_T\right\rangle }{2}=\frac{3}{2}kT\left(1\right),\]

где $\left\langle v2_T\right\rangle $- среднее значение квадрата скорости теплового движения.

Классическая электронная теория качественно объясняет многие законы электрического тока.

Пример 1

Задание: Чему равна концентрация свободных электронов, если от каждого атома отщепился один электрон.

Решение:

Если от каждого атома отщепился один электрон, концентрация свободных электронов равна числу атомов в единице объема ($n$):

\[n=\frac{\rho }{\mu }N_{A\ }\left(1.1\right),\]

где $\rho $ — плотность металла, $\mu $ — молярная масса вещества, $N_{A\ }=6\cdot {10}{23}моль{-1}$ — число Авогадро. Для металлов значения $\frac{\rho }{\mu }$ для металлов равны: калий$:\ \frac{{\rho }_1}{{\mu }_1}$=$2\cdot {10}4\frac{моль}{м3}$, бериллий:$\ \frac{{\rho }_2}{{\mu }_2}$=$2\cdot {10}5\frac{моль}{м3}$.

Тогда концентрация свободных электронов проводимости будут иметь значения порядка:

\[n\approx {10}{28}-{10}{29}м{-3}\]

Ответ: $n\approx {10}{28}-{10}{29}м{-3}$.

Пример 2

Задание: Чему равна подвижность электронов в калии? Удельная проводимость металлов равна $\sigma ={10}6\frac{См}{м}.$

Решение:

Подвижностью электронов ($b$) является отношение скорости дрейфа ($v_d$) к напряженности электрического поля (E):

\[b=\frac{v_d}{E}\left(2.1\right).\]

Закон Ома:

\[\overrightarrow{j}=\sigma \overrightarrow{E}(2.2)\]

можно записать в виде:

\[nq_ev_d=\sigma E\left(2.3\right),\]

где $n$ — концентрация электронов проводимости, $q_e=1,6\cdot {10}{-19}Кл$ — заряд электрона, $\sigma $ — удельная проводимость. Используя (2.1) и (2.3) выразим подвижность:

\[b=\frac{v_d\sigma }{nq_ev_d}=\frac{\sigma }{nq_e}.\]

Используем результат первого примера, концентрация свободных электронов в калии равна $n={10}{28}м{-3}$. Проведем вычисления:

\[b=\frac{{10}6}{{10}{28}\cdot 1,6\cdot 10{-19}}\approx 10{-3}(\frac{м2}{В\cdot с}).\]

Ответ: $b=10{-3}\frac{м2}{В\cdot с}.$

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/mehanizmy_elektroprovodnosti/

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Механизмы электропроводности

Cтраница 1

Механизм электропроводности таких составов обусловлен точечным контактом между металлическими частицами палладия Рё серебра. РўРѕС‚ же состав, обжигаемый длительное время, обладает высоким процентом РѕРєРёСЃРё палладия ( РґРѕ 40 %) Рё отрицательным РўРљРЎ.  [1]

Механизм электропроводности таких твердых электролитов представляется следующим образом. Как известно, ионы в решетке колеблются около своего положения.

Вследствие флуктуации энергии в кристалле отдельные его ионы могут обладать повышенной энергией.

Р’ отдельных участках между узлами решетки существует РјРёРЅРёРјСѓРј потенциальной энергии — потенциальные СЏРјС‹.  [2]

Механизм электропроводности в комплексах с переносом заряда еще недостаточно выяснен.

Однако РїСЂСЏРјРѕР№ СЃРІСЏР·Рё между величиной парамагнетизма, СЃ РѕРґРЅРѕР№ стороны, Рё электропроводностью или шириной запрещенной Р·РѕРЅС‹, СЃ РґСЂСѓРіРѕР№ стороны, РІСЃРµ же РЅРµ наблюдается.  [3]

Механизм электропроводности для гомогенно графитирующихся углеродных материалов РїСЂРё разных температурах обработки был описан РІ обстоятельных работах РњСЂРѕР·РѕРІСЃРєРѕРіРѕ [11, 12], СЃ точки зрения Р·РѕРЅРЅРѕР№ модели графита. Р’ этих работах большое значение придается процессам деструкции боковых связей как физической причине возникновения дырок РІ СЏ-Р·РѕРЅРµ, Р° также росту размеров углеродных слоев. Р�зложение результатов исследования электрофизических свойств переходных форм углерода РІ СЃРІСЏР·Рё СЃРѕ струк-турнохимическими преобразованиями РїСЂРё разных температурах обработки приводится РІ статье Рў. Рњ. Хренковой Рё Р’. Р�. Каса-точкина настоящего СЃР±РѕСЂРЅРёРєР°. Процесс гомогенного графитирования весьма специфичен Рё отражает особенности полимерной структуры Рё реакционных свойств переходных форм углерода. Термическое преобразование гомогенно графитирующихся углеродных материалов наглядно может быть представлено наложением РґРІСѓС… процессов атомного упорядочения.  [4]

Механизм электропроводности контактола состоит РІ образовании металлических пятен касания частиц серебра РїРѕРґ действием электростатических СЃРёР» Рё гидравлического давления РІ жидком клее. РџСЂРё отверждении клея проводящие цепочки устанавливаются Рё фиксируются.  [5]

Механизм электропроводности жидкости РїРѕ современным представлениям аналогичен характеру теплового движения частиц РІ жидкости: РёРѕРЅ некоторое время колеблется около РѕРґРЅРѕРіРѕ положения равновесия, Р° потом делает скачок Рє РґСЂСѓРіРѕРјСѓ положению равновесия. Скорость движения РёРѕРЅР° обусловлена лишь продолжительностью колебания около РѕРґРЅРѕРіРѕ положения равновесия, так как время, требуемое РЅР° самый перескок РёР· РѕРґРЅРѕРіРѕ положения равновесия РІ РґСЂСѓРіРѕРµ, незначительно.  [6]

Механизм электропроводности полимеров, содержащих электропроводящие наполнители, точно РЅРµ установлен.  [7]

Механизм электропроводности полупроводников Рё диэлектриков качественно одинаков.  [8]

Механизм электропроводности металлов и полупроводников. Большинство твердых тел имеет кристаллическое строение.

Это значит, что атомы и молекулы, составляющие эти тела, расположены в строго определенном геометрическом порядке.

�звестно много различных систем расположения атомов в кристаллических телах.

Эти системы обычно называются кристаллическими решетками, так как они напоминают решетку по форме и жесткости взаимного расположения атомов.

РљСЂРѕРјРµ того, кристаллические решетки делятся РЅР° несколько РІРёРґРѕРІ РІ зависимости РѕС‚ физических явлений, послуживших причиной образования РёС…. Эти решетки РјРѕРіСѓС‚ быть металлическими, ионными Рё атомными.  [9]

Механизм электропроводности металлов отличается от механизма электропроводности растворов электролитов.

РџСЂРё пропускании тока через металлический РїСЂРѕРІРѕРґ никаких изменений СЃ РЅРёРј РЅРµ РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚, Р° РїСЂРё прохождении электрического тока через раствор РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ химическое превращение растворенного вещества. Если опустить РІ раствор хлорной меди РЎРёРЎ12 угольные электроды, присоединенные Рє полюсам аккумулятора, Рё через раствор пропустить постоянный ток, то Сѓ электрода, соединенного СЃ положительным полюсом аккумулятора, выделяются пузырьки удушливого газа — хлора, Р° электрод, соединенный СЃ отрицательным полюсом, покрывается слоем меди. Следовательно, хлорная медь РїСЂРё прохождении через ее раствор тока разлагается РЅР° медь Рё хлор.  [10]

Механизм электропроводности металлов отличается от механизма электропроводности растворов электролитов.

РџСЂРё пропускании тока через металлический РїСЂРѕРІРѕРґ никаких изменений СЃ РЅРёРј РЅРµ РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚, Р° РїСЂРё прохождении электрического тока через раствор РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ химическое превращение растворенного вещества.  [11]

Механизм электропроводности полупроводников и диэлектриков примерно одинаков и качественно отличается от механизма электропроводности проводников.

Так, отличие полупроводника от проводника состоит не только в большем значении его удельного сопротивления, но и в иной зависимости этого сопротивления от температуры.

Если при нагреве удельное сопротивление проводников увеличивается, то у полупроводников и диэлектриков оно уменьшается.

При температуре, близкой к абсолютному нулю, удельное сопротивление проводников достигает малых значений, а их проводимость значительна или даже переходит в сверхпроводимость.

Удельное сопротивление полупроводников РїСЂРё температурах, близких Рє абсолютному нулю, очень велико Рё приближается Рє удельному сопротивлению диэлектриков.  [12]

Механизм электропроводности контактола состоит РІ образовании металлических пятен касания РїРѕРґ действием электростатических СЃРёР» Рё гидростатического давления РІ жидком клее. РџСЂРё отверждении клея проводящие цепочки фиксируются.  [13]

Механизм электропроводности Na AVO, которому отдается предпочтение в настоящее время, может быть описан следующим образом.

Кристаллическая структура Na WOs состоит из решетки W03 с атомами натрия в междуузлиях.

Значения коэффициента Холла показывают, что каждый атом натрия ионизирован полностью Рё отдает РѕРґРёРЅ ( приблизительно) свободный электрон РІ Р·РѕРЅСѓ проводимости. Температурная зависимость удельной электропроводности указывает РЅР° металлическую РїСЂРёСЂРѕРґСѓ Р±СЂРѕРЅР·С‹.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Источник: https://www.ngpedia.ru/id154469p1.html

3.2.10 Свободные носители электрических зарядов в проводниках. Механизмы проводимости твёрдых металлов, растворов и расплавов электролитов, газов. Полупроводники. Полупроводниковый диод

Механизмы электропроводности

урок 1: Электрический ток в различных средах  

урок 2: Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый

Лекция: Свободные носители электрических зарядов в проводниках. Механизмы проводимости твёрдых металлов, растворов и расплавов электролитов, газов. Полупроводники. Полупроводниковый диод

Носители заряда в проводниках

Для того, чтобы по проводнику шел ток, в нем должны присутствовать свободные носители заряда. Это могут быть электроны, ионы или другие частицы. 

Самыми распространенными проводниками считаются металлы, которые имеют электронную проводимость. 

Она возникает в результате того, что у атомов металлов на внешнем энергетическом уровне имеются свободные электроны, которые достаточно просто вырываются под действием электрической силы, а разность потенциалов направляет их. В качестве проводников так же можно использовать электролиты, заряженными частицами в них являются положительные и отрицательные ионы.

Ток в металлах, ток в электролитах, диэлектрики

Электрический ток в металлах протекает благодаря свободным электронам, которые начинают свое движение под действием внешнего электрического поля. В случае, если температура металла повышается, частицы начинают беспорядочно двигаться, что приводит к ухудшению прохождения электрического тока. В данном случае с ростом температуры сопротивление также увеличивается.

Стоит отметить, что поваренная соль, а также очищенная от примесей вода, являются диэлектриками, то есть не проводят ток. Однако, если данные вещества соединить, то такой тандем станет отличным проводником.

В результате появления электрического поля в растворах электролитов возникает электролитическая диссоциация, то есть происходит распад элементов на положительные и отрицательные ионы.

В результате этого появляются свободные носители заряда.

Если начать пропускать ток через электролит, в котором имеется ионы, то положительные из них будут стремиться осесть на катоде, а отрицательные — на аноде.

С помощью закона Фарадея можно рассчитать, какое количество элементов осядет на поверхности электродов:

Именно по средствам электролиза происходит покрытие некоторых деталей необходимыми элементами. К такой детали подводят ток необходимой полярности, в зависимости от знака иона, и на ней начинают оседать необходимые элементы.

Диэлектрики не способны проводить электрический ток из-за отсутствия носителей зарядов. Все  структурные частицы диэлектриков находятся в устойчивом положении в узлах решетки. Поэтому, если некоторый диэлектрик поместить в электрическое поле — никаких изменений не произойдет.

Электрический ток в газах

Газы являются плохими диэлектриками, которые при обычных условиях считаются плохими проводниками. Однако в результате ионизации, газы в них появляются свободные носители зарядов. Ионизация может происходить в результате различных излучений или резких изменений других характеристик среды.

Примером появления тока в газах является молния, корона на острых частях высоких деревьев, гор, пиков на сооружениях. В результате ионизации происходит коронный разряд, образованный полем между проводниками. Часто такой разряд можно встретить между высоковольтными проводами.

Полупроводники

Кроме основного разделения на проводники и диэлектрики, существует некие промежуточные вещества. Удельное сопротивление таких проводников такое же или даже меньше, чем у проводников. К данным видам материалов относятся германий, кремний и другие элементы.

Данным веществам характерно уменьшения сопротивления вследствие повышения температуры или же освещенности.

Это значит, что в обычном состоянии такие вещества ничем не отличаются от обыкновенных диэлектриков, но при соответствующих условиях становятся отличными проводниками.

Изменение сопротивления вследствие изменения температуры графически можно представить следующим образом:

Из данной зависимости можно сделать вывод, что такое свойство особенным образом отличает полупроводники от проводников тем, что у вторых при повышении температуры сопротивление наоборот растет.

Что касается света, то для проводников он не играет никакой роли, а полупроводникам снижает сопротивление.

 Так как во время протекания тока не происходит переноса вещества, можно судить, что носителями заряда являются электроны.

Почему же меняются свойства во время увеличения температуры? Повышение температуры приводит к увеличению скорости частиц, что приводит к образованию свободных носителей.

Основным отличием строения полупроводников является ковалентная связь атомов, которая является единственной причиной, по которой они удерживаются на своих местах в кристаллической решетке.

Строение кремния

Чтобы разобраться в проводимости кремния и других полупроводников, следует изучить их строение.

Все шары на рисунке — это атомы элемента, а трубки, что их соединяют — ковалентная связь. Стоит обратить внимание, что каждый атом имеет четыре соседа, это объясняется тем, что элемент имеет валентность, равную четырем.

Каждый атом кремния имеет внешние 4 свободных электрона, к каждому из которых присоединяются аналогичные элементы.

При этом, стоит отметить, что электроны способны свободно передвигаться и переходить к соседним атомам и становится его собственностью.

Забегая вперед, можно отметить, что именно такое передвижение между соседними атомами и приводит к появлению тока. А чем выше температура, тем легче перемещаются электроны.

Стоит отметить, что электроны не только способны ускорять свое движение в кристалле под действием температуры, но и начинается разрушение ковалентных связей. Чем больше таких связей разорвалось, тем больше становится значение электрического тока.

Когда связь разрушается, а электрон выходит из своего места, там появляется дырка — это место, куда стремится попасть соседний электрон при наличии внешней силы.

Когда электрон путешествует по полупроводнику, он переходит с одной дырки в другую, в результате чего дырка также перемещается.

Если на полупроводник действует повышенная температура, то дырки и электроны блуждают в произвольном порядке, но когда полупроводник помещается в электрическое поле, дырки начинают двигаться в направлении, обратном напряженности.

Примеси, P-n-переход

В результате введения дополнительных примесей в полупроводник, происходит изменение его свойств. В таком случае полупроводники будут иметь не только собственную проводимость, но и способность примесей проводить электрический ток.

Например, если к четырехвалентному кремнию добавить мышьяк, который имеет валентность, равную пяти, то такое соединение будет иметь лишний электрон в кристаллической решетке. И к чему же приводит такой электрон? К появлению свободных носителей зарядов.

В таком случае такой полупроводник будет иметь значительную проводимость даже при комнатной температуре, поскольку свободный электрон не имеет достаточной силы взаимодействия с кремнием, поэтому способен спокойно перемещаться по полупроводнику.

Отличием такого соединения является то, что свободный электрон и его движение не сопровождается появлением дырки. Однако, как и прежде между атомами кремния связь рвется и образуются так же электроны и дырки. Проводимость, при которой свободных электронов больше, чем дырок за счет примесей, называется донорной, а полупроводники получили название n-полупроводники.

Если два полупроводника, которые имеют различную проводимость привести в контакт, то на месте их разделения появится P-n-переход.

На рисунке слева находится полупроводник, где преобладают дырки, а справа — электронная проводимость.  В результате свободного движения одни носители перемещаются в другую часть полупроводника, что приводит к их смешению, однако в тех местах, где существует граница — остается заряд, что не был скомпенсирован.

Если через полупроводники пропустить ток, то он будет способствовать движению частиц, что приведет к увеличению перехода, что способствует снижению проводимости.

Если ток направить в обратном направлении, то ситуация существенно изменится:

P-n-переход начнет уменьшаться, что приведет к увеличению проводимости. Таким образом, можно сделать вывод, что два полупроводника с различной проводимостью будет проводить ток только в одном направлении. Такой принцип и строение используется в полупроводниковых диодах.

Если диод изображен таким образом, как показано выше, то это значит, что ток может бежать слева направо, но ни в коем случае не в обратном направлении.

Предыдущий урокСледующий урок

Источник: https://cknow.ru/knowbase/257-3210-svobodnye-nositeli-elektricheskih-zaryadov-v-provodnikah-mehanizmy-provodimosti-tverdyh-metallov-rastvorov-i-rasplavov-elektrolitov-gazov-poluprovodniki-poluprovodnikovyy-diod.html

Механизм электропроводности полупроводников

Механизмы электропроводности

2.2.1. Собственная электропроводность

Твердые тела, к которым относятся проводники, полупроводники и диэлектрики обычно имеют кристаллическую структуру. Основу кристаллического тела составляют правильные пространственные решетки с конфигурацией, специфической для каждого данного вещества.

В зависимости от того, какие частицы располагаются в узлах, различают следующие кристаллические решетки:

1) ионные;

2) металлические;

3) молекулярные;

4) атомарные.

Ионные кристаллические решетки образуются противоположными по знаку ионами, поочередно расположенными в узлах решетки (пример: поваренная соль).

В узлах металлической решетки размещаются лишь положительные ионы металла. Свободные электроны, имеющиеся в таких кристаллах, взаимодействуя с ионами, обеспечивают устойчивость таких решеток (пример: атомы элементов первых групп периодической системы Менделеева).

В молекулярных решетках в узлах располагаются молекулы, связанные друг с другом относительно слабыми силами (пример: лед).

В атомарных кристаллических решетках в узлах располагаются атомы, между которыми непрерывно перемещаются валентные электроны, образующие так называемые ковалентные или парно-электронные связи.

https://www.youtube.com/watch?v=Dnq454iKYbk

В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используется кремний Si (элемент четвертой группы периодической системы Менделеева), имеющий валентность, равную четырем. Внешние оболочки атомов кремния имеют четыре валентных электрона.

Применяются и более сложные вещества, такие как карбид кремния SiC, антимонид галлия GaSb, арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP, антимонид индия InSb, арсенид индия InAs, фосфид индия InP, тройное соединение CdSiAs2.

В основе кристаллической решетки кремния лежит пространственная фигура – тетраэдр. Такие кристаллические решетки называются решетками типа «алмаз». Характерная особенность тетраэдрической системы – одинаковые расстояния центрального атома от четырех угловых. Напомним, что тетраэдр – правильный многогранник, имеющий четыре треугольные грани.

Атомы решетки связаны друг с другом внешними (валентными) электронами, которые взаимодействуют не только с ядром своего атома, но и с ядрами соседних атомов.

В кристаллах кремния связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами – по одному от каждого атома, что наглядно представлено на плоскостной схеме кристаллической решетки (рис. 2.2).

При температуре абсолютного нуля (– 273,16 °С) в кристалле чистого кремния свободных электронов нет, т.е. полупроводник обладает свойствами диэлектрика. При температуре выше абсолютного нуля (или при нагревании, освещении, облучении и т.д.

) прочность кристаллической решетки нарушается и появляются электроны проводимости.

Эти электроны порывают парно- электронные связи и становятся свободными (количество свободных электронов мало – в кремнии при нормальных условиях их число равно 1·10-10 %).

Рис. 2.2. Плоскостная схема кристаллической решетки кремния

Таким образом полупроводники, как и металлы, обладают электронной проводимостью. Но полупроводники, в отличие от проводников, обладают и дырочной проводимостью.

В тех местах кристаллической решетки, которые покинули электроны, образуются дырки, представляющие собой атомы с положительными зарядами, численно равными зарядам электронов. Такой атом можно условно назвать положительным ионом.

Однако следует иметь в виду, что при ионной электропроводности, например в электролитах, ток представляет собой движение ионов («ион-путешественник»), а при дырочной электропроводности ионы кристаллической решетки не передвигаются, а остаются на месте.

Отсутствие электрона в атоме полупроводника условно назвали дыркой. Это подчеркивает, что в атоме не хватает одного электрона, т.е. образовалось свободное место. Дырки ведут себя как элементарные положительно заряженные частицы.

При выходе электронов из кристаллической решетки полупроводника образуются два вида носителей электрических зарядов – электроны (носители отрицательного электричества) и дырки (носители положительного электричества), т.е. происходит процесс генерации пар носителей заряда.

Вследствие того, что электроны и дырки проводимости совершают хаотическое движение, также происходит процесс, обратный генерации – рекомбинация пар носителей заряда, и электроны проводимости вновь занимают свободные места в валентной зоне.

При наличии электрического поля хаотическое перемещение носителей зарядов упорядочивается: электроны начинают перемещаться в направлении положительного полюса, создавая электрический ток, дырки перемещаются в направлении, противоположном движению электронов, т. е. дырки «дрейфуют».

Более правильно электропроводность полупроводника объясняется его энергетической структурой. Как известно, ширина запрещенной зоны ΔW у полупроводников сравнительно невелика (для германия ΔW = 0,72 эВ, для кремния ΔW = 1,12 эВ).

При температуре абсолютного нуля (–273,16 °С) полупроводник, не содержащий примесей, является диэлектриком – в нем нет электронов и дырок. При повышении температуры электропроводность полупроводника возрастает, так как электроны валентной зоны получают при нагреве дополнительную энергию и переходят в зону проводимости.

Каждый электрон, перешедший в зону проводимости, оставляет в валентной зоне свободное место – дырку. Число электронов равно числу дырок.

Дырка – понятие условное. В действительности в полупроводниках электрический ток создается движением электронов, но как бы двух сортов: свободных и частью валентных электронов.

В идеально чистом кристалле кремния или германия при разрыве электронных связей возникают одновременно электрон и дырка. Одновременно с их образованием происходит и их рекомбинация.

Проводимость, при которой нет избыточных положительных или отрицательных зарядов, называют собственной проводимостью. Собственная проводимость полупроводника невелика и не может обеспечить большого тока. Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником или полупроводником i-типа (от английского слова «intrinsic» – природный, собственный).

2.2.2. Примесная проводимость

Проводимость полупроводников резко увеличивается при добавлении определенных количеств специальных примесей, т.е. при легировании.

Химические элементы пятой группы периодической системы Менделеева на внешней оболочке имеют пять валентных электронов (например, сурьма Sb, мышьяк As, фосфор P).

Предположим, что в кремний внесена пятивалентная сурьма. Атомы сурьмы взаимодействуют с атомами кремния четырьмя своими электронами, пятый электрон они отдают в зону проводимости (рис. 2.3).

Примеси, атомы которых отдают электроны, называют донорами («донор» – дающий, жертвующий). Атомы доноров, теряя электроны, сами заряжаются положительно. Полупроводник с преобладанием электропроводности, называют электронным полупроводником или полупроводником n-типа (от первой буквы слова «negative» – отрицательный).

Рис. 2.3. Возникновение примесной электронной электропроводности

На зонной диаграмме полупроводника n-типа (рис. 2.4) энергетические уровни атомов донора лишь немного ниже зоны проводимости основного полупроводника, поэтому из каждого атома донора электрон легко переходит в зону проводимости.

Таким образом, дополнительное число электронов равно числу атомов донора. В самих атомах донора при этом дырки не образуются.

Отметим при этом, что для чистого кремния ширина запрещенной зоны ΔW = 1,12 эВ, при добавлении сурьмы ширина запрещенной зоны снижается до значения 0,01 эВ.

Рис. 2.4. Зонная диаграмма полупроводника n-типа

Химические элементы третьей группы периодической системы Менделеева на внешней оболочке содержат три валентных электрона (например, индий In, бор B, алюминий Al, галлий Ga). Предположим, что в кремний внесен трехвалентный индий. Атомы примесей индия отбирают электроны у атомов кремния, и в последних образуются дырки (рис. 2.5).

Вещества, отбирающие электроны и создающие примесную дырочную электропроводность, называют акцепторами («акцептор» – принимающий). Атомы акцептора, захватывая электроны, сами заряжаются отрицательно.

Рис. 2.5. Возникновение примесной дырочной электропроводности

При добавлении индия ширина запрещенной зоны также снижается до значения 0,01 эВ.

Полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа (от первой буквы слова «positive» – положительный).

Рис. 2.6. Зонная диаграмма полупроводника p-типа

Энергетические уровни атомов акцептора располагаются лишь немного выше валентной зоны. На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, в которой возникают дырки.

Концентрация примесей обычно ничтожно мала. Один атом примеси приходится приблизительно на 10 млн атомов полупроводника, вследствие чего общая структура его кристаллической решетки в основном сохраняется неизменной. Однако прибавление к чистому полупроводнику даже такого незначительного количества донорной или акцепторной примеси может повысить его проводимость в сотни тысяч – миллион раз.

Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов донорной Nд или акцепторной Nа примеси должна превышать концентрацию собственных носителей заряда (ni = pi).

Практически при изготовлении примесных полупроводников значения Nд или Nа всегда во много раз больше, чем ni или pi.

Например, для германия, у которого при комнатной температуре ni = pi = 1013 см-3, Nд и Nа могут быть равными 1015-1018 см-3 каждая, то есть в 102-105 раз больше концентрации собственных носителей.

Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными (в полупроводнике n-типа – электроны, в полупроводнике p-типа – дырки). Неосновными являются носители заряда, концентрация которых меньше, чем концентрация основных носителей (в полупроводнике n-типа – дырки, в полупроводнике p-типа – электроны).

В примесном полупроводнике концентрация неосновных носителей уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается концентрация основных носителей.

Рассмотрим прохождение тока через полупроводник с разным типом электропроводности, причем для упрощения будем пренебрегать током неосновных носителей.

На рис. 2.7 дырки изображены светлыми, а электроны – темными кружками. Знаки «+» или «–» обозначают соответственно заряженные атомы кристаллической решетки.

В полупроводнике n-типа под действием ЭДС источника в проводах, соединяющих полупроводник с источником, и в самом полупроводнике движутся электроны проводимости.

В полупроводнике p-типа, в соединительных проводах по-прежнему движутся электроны, а в самом полупроводнике ток следует рассматривать как движение дырок. Электроны с отрицательного полюса поступают в полупроводник и заполняют пришедшие сюда дырки.

К положительному полюсу приходят электроны из соседних частей полупроводника, и в этих частях образуются дырки, которые перемещаются от левого края к правому.

а б

Рис. 2.7. Ток в полупроводниках с электронной (а) и дырочной (б)

электропроводностью

В электротехнике принято условное (в направлении действующей ЭДС) направление тока от “плюса” к “минусу”. Истинное направление движения электронов изображено на рис. 2.7.

Помимо тока проводимости в полупроводниках (дрейфа носителей) может быть еще диффузионный ток, причиной которого является разная концентрация носителей.

Если носители заряда распределены равномерно по полупроводнику, то их концентрация называется равновесной. Под влиянием внешних воздействий в разных частях полупроводника концентрация может стать неравновесной.

Носители заряда имеют собственную кинетическую энергию, они переходят из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией, то есть стремятся распределиться равномерно. Вследствие этого возникает ток диффузии Jдиф. Этот ток, также как ток проводимости, может быть электронным или дырочным. Плотности этих токов определяются следующими формулами

; (2.1)

, (2.2)

где q – заряд электрона;

Dn, Dp – коэффициенты диффузии;

, – градиенты концентрации электронов и дырок.

Градиент концентрации характеризует, каково изменение концентрации электронов или дырок на единицу длины. Если разности концентрации нет, то Δn= 0 и Δp= 0 и ток диффузии не возникает. Чем больше изменение концентрации Δnили Δpна данном расстоянии Δх, тем больше ток диффузии.

Коэффициент диффузии характеризует интенсивность процесса диффузии. Он пропорционален подвижности носителей, различен для разных веществ и зависит от температуры. Единица измерения его – квадратный сантиметр в секунду.

Коэффициент диффузии для электронов всегда больше, чем для дырок. Например, при комнатной температуре для германия Dn = 98 и Dp1= 47 см2/с, а для кремния – Dn = 34 и Dp = 12 см2/с.

Знак «минус» в формуле плотности дырочного диффузионного тока поставлен потому, что дырочный ток направлен в сторону уменьшения концентрации дырок.

Источник: https://studopedia.su/11_16176_mehanizm-elektroprovodnosti-poluprovodnikov.html

Booksm
Добавить комментарий