1.2. Електрофізичні властивості напівпровідників

1.2.1 Фізичні властивості напівпровідників

3 точки зору зонної теорії, до напівпровідників відносяться речовини, ширина забороненої зони яких не перебільшує 3 еВ.

Найважливішою властивістю напівпровідників є залежність їх електричних властивостей від зовнішніх умов: температури, освітлення, тиску і т. п.

Характерною особливістю напівпровідників є зменшення їх питомого опору із збільшенням температури.

Найбільш широке використання в напівпровідниковій техніці отримали германій, кремній, селен, а також напівпровідникові з'єднання типу арсенід галію, карбід кремнію, сульфід кадмію та інш.

Для напівпровідників характерна кристалічна будова, тобто закономірне і впорядковане розміщення їх атомів в просторі. В кристалах пов'язані між собою атоми розміщуються строго визначеним чином і на однакових відстанях один від одного, в результаті чого створюється решітка із атомів, яку прийнято називати кристалічною решіткою твердого тіла.

Між атомами кристалічної решітки існують зв'язки. Вони утворюються валентними електронами, які взаємодіють не лише з ядром свого атома, але й з сусідніми. В кристалах германію зв'язок між двома сусідніми атомами здійснюється двома валентними електронами - по одному від кожного атома. Такий зв'язок між атомами називається двоелектронним або ковалентним.

Кристалічна решітка, в якій кожний електрон зовнішньої орбіти зв'язаний ковалентними зв'язками з іншими атомами речовини -- ідеальна. В такому кристалі всі валентні електрони тісно пов'язані між собою і вільних електронів, які могли б приймати участь у переносі зарядів, немає. Таку кристалічну решітку мають всі хімічно-чисті бездомішкові напівпровідники при температурі абсолютного нуля (273°С), або (Т=0°К). В цих умовах напівпровідники мають властивості ідеальних ізоляторів.

1.2.2 Власна провідність напівпровідників

Під дією зовнішніх факторів деякі валентні електрони атомів кристалічної решітки отримують енергію, достатню для вивільнення від ковалентних зв'язків.

При звільненні електрону із ковалентного зв'язку в останньому виникає ніби вільне місце, яке має елементарний позитивний заряд. Таке звільнене в електронному зв'язку місце умовно назвали діркою (рис. 2.1), а процес утворення пари електрон-дірка отримав назву -генерація зарядів.

Дірка має позитивний заряд, тому вона може приєднати до себе електрон сусіднього заповненого ковалентного зв'язку. В результаті цього відновлюється один зв'язок (цей процес - рекомбінація) і порушується сусідній.

Концентрація дірок в ідеальній кристалічній решітці хімічно-чистого напівпровідника завжди дорівнює концентрації вільних електронів (n_i = р_і).

Електрична провідність чистого напівпровідника визначається кількістю власних носіїв n_і і р_і . Швидкість генерації носіїв (як і швидкість рекомбінації) визначається властивостями напівпровідника і його температурою. Швидкість рекомбінації, крім того, пропорційна концентрації електронів і дірок, так як чим більша кількість носіїв, тим вірогідніше, що їх зустріч завершиться рекомбінацією.

Рис. 2.1. Плоска схема структури

атомної решітки кристалу кремнію

П ри відсутності зовнішнього електричного поля електрони і дірки пересуваються в кристалі хаотично внаслідок теплового руху. В цьому випадку струм в напівпровіднику не виникає. Якщо ж на кристал діє електричне поле, рух дірок і електронів стає впорядкованим і в кристалі виникає електричний струм. Щоб зрозуміти, як переміщуються дірки, розглянемо рис. 2.2., на якому зображено декілька одних і тих же атомів, розміщених вздовж напівпровідника, в різні моменти часу.

Таким чином, провідність напівпровідника зумовлена переміщенням як вільних електронів, так і дірок. В першому випадку носії зарядів негативні, в другому - позитивні.

Рис. 2.2. Принцип діркової провідності

Відповідно розрізняють два види провідності напівпровідників - електронна або провідність типу п і діркова або провідність типу р.

В хімічно-чистому кристалі напівпровідника кількість дірок завжди дорівнює кількості вільних електронів і електричний струм в ньому утворюється в результаті одночасного переносу зарядів обох знаків.

Така електронно-діркова провідність називається власною провідністю напівпровідників. При цьому загальний струм в напівпровіднику дорівнює сумі електронного і діркового струмів.

Висновок:

1. Питома провідність напівпровідника залежить від концентрації електронів і дірок та від їх рухливості.

2. Питома електропровідність залежить від типу речовини та її температури.