1tom095

5. MATERIAŁOZNAWSTWO ELEKTROTECHNICZNE

192

przewodników o bardzo wysokich temperaturach krytycznych spowodowało większe zmiany jeśli chodzi o zamiary wykorzystania zjawiska nadprzewodnictwa w urządzeniach elektrod energetycznych.

5.4. Materiały półprzewodzące

5.4.1. Podstawowe definicje i określenia

Materialpólprzewodzący — materiał, którego rezystywność w temperaturze 20°C jest zawarta w granicach 10~²-^10~⁹ Q cm.

Półprzewodnik — ciało stałe o budowie krystalicznej, którego szerokość pasma wzbronionego (rys. 5.7) w modelu pasmowym określającym energetyczne stany elektronów jest zawarta w granicach 0,5-^2 eV (niektórzy autorzy jako górną granicę przyjmują 1,5 cV).

Kierunek ruchu elektronów

Pasmo

- przewodnictwa

Kierunek pola elektrycznego

Kierunek ruchu dziur OdlegTość

Rys. 5.7. Ruch elektronów i dziur w półprzewodniku pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego, wg [5.15; 5.17; 5.36]

Dziura — nieobsadzony stan energetyczny w paśmie podstawowym. Dziurze przypisuje się ładunek dodatni.

Przewodnictwo elektronowe—ruch elektronów znajdujących się w paśmie przewodnictwa, zachodzącym pod wpływem pola elektrycznego.

Przewodnictwo dziurowe — ruch elektronów znajdujących się w paśmie podstawowym, interpretowany jako ruch dziur pod wpływem pola elektrycznego.

Domieszki — obce pierwiastki, świadomie dodawane w niewielkich ilościach do półprzewodnika. Atomy tych domieszek mają inną liczbę elektronów walencyjnych niż atomy półprzewodnika, do którego są wprowadzane. Powoduje to powstawanie lokalnych, dodatkowych poziomów energetycznych, obsadzonych lub nieobsadzonych w paśmie wzbronionym (rys. 5.7), zwanych również poziomami domieszkowymi.

Poziom donorowy—poziom domieszkowy obsadzony przez elektron; odstęp energetyczny pomiędzy nim a pasmem przewodnictwa jest zazwyczaj rzędu dziesiętnych części clektro-nowolta.

Poziom akceptorowy — poziom domieszkowy nieobsadzony przez elektron; odstęp energetyczny pomiędzy nim a pasmem podstawowym jest zazwyczaj rzędu dziesiętnych części elektronowolta.

Domieszki donorowe — domieszki pierwiastków o większej liczbie elektronów walencyjnych od półprzewodnika, do którego są wprowadzane.

Domieszki akceptorowe — domieszki pierwiastków o mniejszej liczbie elektronów walencyjnych od półprzewodnika, do którego są wprowadzane.

poziom Fermiego najwyższa wartość energii jaką może uzyskać elektron w danym obszarze krystalicznym w temperaturze zera bezwzględnego.

Masa efektywna — masa elektronu znajdującego się w sieci krystalicznej zwiększona _vv stosunku do spoczynkowej. Skutek oddziaływania jąder uwidacznia się we wzroście bezwładności elektronu. Elektron ma tym większą masę efektywną, im niższy jest jego poziom energetyczny. Dlatego elektron w paśmie przewodnictwa ma mniejszą masę efektywną niż dziura, co jest jedną z przyczyn jego wriększej ruchliwości.

iMtlunek większościowy — rodzaj ładunku (elektrony lub dziury), którego udział ze względu na zastosowaną odmianę i liczbę domieszek decyduje o wartości przewodnictwa.

^wprzewodnictwo samoistne — przewodnictwo chemicznie czystego półprzewodnika o regularnej budowie krystalicznej. W półprzewodniku, w którym występuje jedynie przewodnictwo samoistne, stężenie (koncentracja) elektronów w paśmie przewodnictwa jest równa stężeniu dziur. Ze względu jednak na większą ruchliwość elektronów półprzewodnik ten zachowuje się tak. jakby większościowymi ładunkami były elektrony (ma ujemną stalą Halla).

Przewodnictwo niesamoistne (domieszkowe, wymuszone) przewodnictwo półprzewodnika wynikające z obecności domieszek.

Półprzewodnik typu n — półprzewodnik wykazujący przewodnictwo niesamoistne, w którym ładunkami większościowymi są elektrony.

Półprzewodnik typu p — półprzewodnik wykazujący przewodnictwo niesamoistne, w którym ładunkami większościowymi są dziury.

Fotoprzewodnictwo — zjawisko polegające na zwiększeniu konduktywności półprzewodnika pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego.

Luminescencja — zjawisko absorpcji energii przez półprzewodnik, a następnie jej emitowanie w postaci promieniowania widzialnego. Luminescencję wywołaną światłem widzialnym nazywa się fotoluminescencją: wywołaną bombardowaniem elektronami — lumi-nescencją katodową; powstającą pod w'pływcm prądu i pola elektrycznego — elektrolumines-cencją; powstającą w wyniku przemian chemicznych - chemiluminescencją. Fluoroscencja jest to luminescencja zanikająca bezpośrednio po usunięciu czynników ją wywołujących. Fosforescencja jest to luminescencja trwająca po usunięciu czynników' wzbudzających. Luminofory (błędna nazwa — fosfory) są to substancje podlegające zjawisku lumines-cencji.

5.4.2. Ogólne właściwości materiałów półprzewodzących

5.4.2.1. Wpływ temperatury i pola elektrycznego na konduktywność

Charakterystyka zależności konduktywności od temperatury dla półprzewodnika, w którym obok przewodnictwa samoistnego występuje niesamoistne. składa się z trzech odcinków (rys. 5.8b). Przy niższych temperaturach (odcinek 1), przy których przewodnie-

Rys. 5.8. Charakterystyki temperaturowe konduktywności y półprzewodników: a) bez domieszek; b) domieszkowanego Zaczerpnięto z [5.15; 5.17; 5.36]

two samoistne jest małe, czynnikiem decydującym o w^;zrościc konduktywności wraz z temperaturą jest w'zrost stężenia nośników pochodzących z poziomów dodatkowych. Wzrost ten początkowo ma charakter zbliżony do wykładniczego, począwszy jednak od Pewnej temperatury ulega zahamowaniu ze względu na ograniczoną liczbę domieszkowych stanów dodatkow'ych. Jeśli wpływ przewodnictwa samoistnego nadal jest niewielki, to występuje zakres temperatur, w którym stężenie nośników ładunków pozostaje praktycznie stałe. Wówczas konduktywność nieco maleje ze wzrostem temperatury (odcinek 2), ponieważ ^ynnikicm decydującym w tym przypadku jest zmniejszenie się ruchliwości nośników' *3 Poradnik inżyniera elektryka tom 1