Полупроводники – это материалы, обладающие уникальными свойствами, которые позволяют им проводить электрический ток в некотором диапазоне температур и при определенных условиях. Одним из ключевых параметров полупроводников является их проводимость, которая может быть физически модифицирована. Существует два типа проводимости полупроводников: собственная и примесная.
Собственная проводимость, как следует из названия, является внутренней для материала. Она возникает из-за наличия валентных электронов и свободных дырок в зоне проводимости и валентной зоне соответственно. В полупроводниках со собственной проводимостью концентрация электронов и дырок примерно одинакова, и поэтому электронная проводимость и дырочная проводимость равны между собой.
В отличие от собственной проводимости, примесная проводимость возникает вследствие добавления примесей в полупроводник. Примесная проводимость может быть двух типов: n-проводимость и p-проводимость. В случае n-проводимости добавляются примеси, у которых больше электронов, чем валентных связей. Эти лишние электроны становятся свободными и участвуют в проведении электрического тока. В случае p-проводимости добавляются примеси, у которых меньше электронов, чем валентных связей. В результате образуются свободные дырки, которые также способны проводить ток.
Собственная проводимость полупроводников
В чистом полупроводнике, без примесей, количество свободных электронов и дырок практически равно. Поэтому собственная проводимость очень низкая. Однако, при повышении температуры или при воздействии света, свободные электроны могут переходить в зону проводимости, создавая дополнительные носители заряда и увеличивая проводимость материала.
Собственные полупроводники имеют широкий спектр применений. Они используются в различных устройствах, таких как транзисторы, диоды, солнечные батареи и многое другое. Контроль и регулирование собственной проводимости позволяет создавать полупроводники с различными электронными свойствами и применять их в различных областях науки и техники.
Определение собственной проводимости
Основной источник собственной проводимости в полупроводниках – это холловская проводимость, которая определяется наличием свободных электронов и дырок в зоне проводимости и зоне запрещенных полупроводникового материала. При повышении температуры количество свободных электронов и дырок увеличивается и, следовательно, собственная проводимость возрастает.
Собственная проводимость полупроводников также может быть увеличена путем легирования веществами, которые создают дефекты в кристаллической решетке, например, допирование материала примесями других элементов.
Свойства собственной проводимости
Основные свойства собственной проводимости в полупроводниках:
| Температурная зависимость | Собственная проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. При повышении температуры, количество свободных носителей заряда в полупроводнике увеличивается, что приводит к увеличению его проводимости. |
| Плотность свободных носителей заряда | В собственном полупроводнике плотность свободных носителей заряда определяется концентрацией легирующих примесей. При отсутствии легирующих примесей плотность свободных носителей заряда невелика, поэтому собственная проводимость полупроводника низка. |
| Подвижность носителей заряда | Подвижность носителей заряда в собственных полупроводниках обычно меньше, чем в примесных полупроводниках. Это связано с тем, что в собственных полупроводниках наблюдается большое количество рассеяний носителей заряда на дефектах кристаллической решетки. |
| Режим работы | Собственные полупроводники могут работать как в режиме накопления заряда, так и в режиме разрежения заряда, в зависимости от применяемого внешнего напряжения. |
Изучение и понимание свойств собственной проводимости полупроводников имеет важное значение для разработки новых материалов и устройств с повышенной эффективностью и функциональностью.
Примесная проводимость полупроводников
Примеси – это атомы или молекулы, добавленные в полупроводниковый материал с целью изменения его электрических свойств. Примесные атомы отличаются по составу от атомов полупроводниковой матрицы и могут быть как донорами, так и акцепторами электронов.
Доноры – это примесные атомы, которые имеют большее количество свободных электронов, чем атомы матрицы полупроводника. Когда донорные атомы встраиваются в кристаллическую решетку полупроводника, свободные электроны, находящиеся у донорных атомов, могут перемещаться по материалу, обеспечивая его проводимость.
Акцепторы – это примесные атомы, которые обладают меньшим количеством электронов, чем атомы матрицы полупроводника. При встраивании в решетку полупроводника акцепторные атомы могут принимать электроны из валентной зоны, создавая дополнительные «дырки» в кристаллической структуре. Эти дырки играют роль носителей положительного заряда и способствуют примесной проводимости.
Таблица ниже демонстрирует различия между собственной и примесной проводимостью полупроводников:
| Характеристика | Собственная проводимость | Примесная проводимость |
|---|---|---|
| Причина проводимости | Тепловая активация электронов и дырок | Наличие свободных электронов и «дырок» |
| Основные носители заряда | Электроны и дырки | Свободные электроны или «дырки» |
| Причина проводимости в чистых материалах | Тепловая активация носителей заряда | Наличие дополнительных свободных электронов или «дырок» от примесей |
| Влияние температуры на проводимость | Проводимость увеличивается с повышением температуры | Проводимость зависит от концентрации примесей и температуры |
| Тип полупроводника | Исходно ориентирован на «дырки» | Может быть ориентирован на электроны или «дырки» в зависимости от типа примеси |
Примесная проводимость полупроводников является основой для создания различных электронных приборов, таких как транзисторы, диоды и интегральные схемы. Понимание различий между собственной и примесной проводимостью позволяет эффективно использовать полупроводниковые материалы для различных технических задач.