Физични основи на слънчевите клетки
Собствена проводимост на полупроводници
Изтегляне 2.28 Mb.
|
| Собствена проводимост на полупроводници
Между металите със специфично електрическо съпротивление Ω.m и диелектриците със специфично електрическо съпротивление Ω.m се намират много материали със специфично електрическо съпротивление Ω.m, които се наричат полупроводници. Почти цялата окръжаваща ни природа се състои от полупроводници. Най-типичните представители са германий, силиций, телур. В периодичната система на Менделеев, полупроводниците са компактна група, фиг.9.14. Фиг. 9.14 Група на полупроводниците Силицият има голямо техника в съвременната полупроводникова техника. Германият е скъп. Електронните свойства на силиция са по-добри от тези на германия. Силицият има 14 електрона и четири са във външния слой и влизат в химични връзки в кристала с електроните от съседните атоми, фиг.9.15 Полупроводникът е безпримесен, ако е идеално чист и има идеално правилна кристална решетка. Проводимостта му се нарича собствена проводимост на полупроводника. За възникване на собствена проводимост на чист полупроводник енеобходимо електроните от валентната зона да се прехвърлят в зоната на проводимост. Затова е необходима енергия, равна на ширината на забранената зона. По големина тази енергия е най важната характеристика на полупроводника и се нарича енергия на активация на собствена проводимост ( за силиция e равна на 1,1 eV). Енергията на активация (в eV) на полупроводниковите елементи е дадена в горния десен ъгъл на всеки елемент на фиг.9.14 Ширината на енергийната бариера дава най-малката енергия, необходима за да се разкъса един чифт електронна връзка и в резултат на което възниква един чифт електрон-дупка, фиг.9.16. Фиг. 9.15 Кристален силиций(Si) и германий(Ge) Забележителното свойство на полупроводниците е намаление на електрическото им съпротивление с нарастване на температурата, т.е. поведението им е обратно на металите. Ако в даден кристал, валентната зона е отделена от най-близката свободна зона от тясна енергийна област, то такова тяло е диелектрик, само при ниски температури. С нарастване на температурата на полупроводниците, расте броят на преминали вследствие на топлинното възбуждане в зоната на проводимост и затова с увеличаване на температурата се увеличава и електропроводимостта им. Фиг. 9.16 Енергийна бариера или енергия за активация Ако в електрично неутрално вещество, един от електроните напусне мястото си и премине на друго (към друг йон), то в оставеното му място възниква излишък на положителен заряд (дупка), който е равен по големина на електронния заряд. На освободеното място от електрона (дупка) може да се премести съседен електрон, което е равносилно на преместваща се дупка. Електропроводимостта на полупроводника, обусловена от преместване на дупки се нарича "дупчеста проводимост". Фиг. 9.17 Електрическа проводимост на полупроводник По такъв начин, прехвърляне на електрон от валентната зона в зоната на проводимост (фиг 9.17) и възникването на положителна "дупка" във валентната зона създава предпоставка за електрическа проводимост на полупроводника. Доказва се, че при равенство на ефективните маси на електрона mn, и на дупките mр, то при каквато и да е температура, нивото на Ферми е разположено по средата на забранената зона ЕF=Еg /2 Обикновено mp> mn, и с нарастване на температурата нивото на Ферми се измества нагоре, изместването е малко и е от порядъка на kT. При E ≈ EF , фиг 9.4, вероятността даден електрон да заеме определено разрешено ниво при всички температури e 1/2. Положението на енергията на ферми дава една количествена оценка за това, колко проводими електрони са налични в сравнение с дупките. При твърде чист силиций, термодинамичното равновесие се определя от противоположни процеси на разделяне и рекомбинация на чифтове електронни връзки. В резултат на това, броят на проводимите електрони е равен на броя на дупките и EF лежи винаги приблизително около средата на забранената зона, фиг.9.18. Фиг9.18. Ниво на Ферми Изтегляне 2.28 Mb. Сподели с приятели:
|