Концентрация основных и неосновных носителей в примесных полупроводниках
Эти величины, как уже отмечалось, могут быть легко определены в результате совместного решения уравнений (2.13) и (2.16) или (2.17).
Для n-полупроводника, решив совместно уравнения (2.13) и (2.16), получим
(2.18)
В n-полупроводнике концентрация доноров на несколько порядков больше ( >> ), поэтому вместо (2.18) можно записать
(2.19)
В n-полупроводнике электроны являются основными носителями, а дырки неосновными, так как >>
Пример. Концентрация доноров в германии = 1016 см-3, = 2,4 1013 см -3. Концентрация электронов (основных носителей) по формуле (2.19) составит = = 1016 см -3, концентрация дырок (неосновных носителей) = 5,76·1026/1010= 5,76·1010 см -3.
Аналогично для р-полупроводника из уравнений (2.13) и (2.17) получим
(2.20)
При выполнении условия >>
(2.21)
где - концентрация основных носителей, a - неосновных носителей ( >> ).
Результаты (2.19) и (2.21) следовало ожидать, так как при рабочих температурах практически все примесные атомы ионизированы. Но тогда и концентрации неосновных носителей и можно найти из точных формул (2.18) и (2.20), подставив в них и , т.е.
(2.22)
На основании формул (2.22) можно сделать важный вывод, что концентрация неосновных носителей очень сильно зависит от вещества. Так как для Si = 1,45·1010 см -3, а для Ge = 2,4·1013 см -3, то концентрация неосновных носителей, пропорциональная , у Ge будет в (2,4·1013/1,45·1010)2 3·106 раз выше, чем у кремния. Это объясняется различием в ширине запрещенной зоны. Кроме того, концентрации неосновных носителей сильно зависят от температуры, так как от нее по формуле (2.12) экспоненциально зависит .
При некоторой температуре концентрация , сравнивается с концентрацией доноров в n-полупроводнике. Назовем эту температуру максимальной (Tmах). При Т>Tmах > , т.е. концентрация электронов будет определяться не примесью, и поэтому теряет смысл термин «основные носители». В результате генерации пар носителей концентрации электронов и дырок оказываются одинаковыми, как в собственном полупроводнике, и с ростом температуры увеличиваются по экспоненциальному закону. Аналогичный процесс происходит при росте температуры в р-полупроводнике.
На рис. 2.3 показана температурная зависимость концентрации электронов в кремнии n-типа. Существует подъем кривой на начальном участке от T=0 К до некоторой температуры, при которой закончится ионизация доноров. Затем в довольно широком диапазоне температур (включающем комнатную) концентрация равна концентрации примеси, т.е. электроны являются основными носителями. При высоких температурах (Т > Tmах) концентрация определяется генерацией пар носителей, т.е. величиной , экспоненциально растущей с повышением температуры.
2.1.5. Положение уровня Ферми в полупроводниках
В собственном полупроводнике n = р = , поэтому энергия уровня Ферми в нем из
(2.23)
Подставляя в (2.23) из (2.12) и учитывая, что
(2.24)
Таким образом, в собственном полупроводнике уровень Ферми практически находится в середине запрещенной зоны.
Уровень Ферми в n-полупроводнике определяется при
(2.26)
Умножая числитель и знаменатель второго слагаемого на и используя формулу (2.23), получаем
(2.27)
Значения концентрации примеси, при которой положение уровня совпадает с границей зон, называют критическим ( ).
2.1.6. Распределение носителей заряда по энергии
Перемножив значения и f(ε), получим распределение носителей по энергии в зоне проводимости (рис. 2.5,в). Что касается валентной зоны, то в соответствии с выражением (2.2) надо умножать на [1 –f(ε)]. Все распределения имеют максимум, а затем быстро спадают.
Дата добавления: 2016-06-29; просмотров: 7645;