6.2. Электропроводность полупроводников. Собственные и примесные полупроводники. Понятие о p-n – переходе
6.2.1. Собственная проводимость полупроводников
Полупроводниками называют класс веществ (твердых тел), у которых полностью занята электронами валентная зона, отделенная от зоны проводимости узкой (порядка 1 эВ) запрещенной зоной. Их электропроводность меньше электропроводности металлов, но больше электропроводности диэлектриков.
К полупроводникам относятся элементы (Si, Ge, As, Se, Te…), химические соединения (оксиды, сульфиды, селениды), сплавы элементов различных групп.
О
сновным
признаком, выделяющим полупроводники
как особый класс веществ, является
сильное влияние температуры и концентрации
примесей на их электрическую проводимость.
Различают собственные и примесные полупроводники. Электропроводность чистых полупроводников (в которых совершенно отсутствуют примеси) называют собственной проводимостью.
К собственным полупроводникам относятся германий и кремний. Молекулярная структура кремния представлена на рис.6.8, где:
-
ядро и внутренние электронные оболочки;
-
дырка,
вакансия с отсутствующей связью;
- валентные
электроны, образующие ковалентную
связь.
У
германия и кремния – одинаковая
кристаллическая решетка: каждый атом
окружен четырьмя атомами, находящимися
в вершинах правильного тетраэдра. На
наружной оболочке атома имеется по
четыре валентных электрона, поэтому
каждый атом образует четыре ковалентных
связи с четырьмя ближайшими от него
соседями.
На рис. 6.9 показана
энергетическая структура электронов
в полупроводнике. При Т=0 все уровни
валентной зоны заняты, а уровень Ферми
лежит в запрещенной зоне, отделяющей
зону проводимости. При этом в зоне
проводимости электронов нет. Для
полупроводников характерно, что ширина
запрещенной зоны составляет до 10 кТ.
При комнатных температурах размытость
функции Ферми-Дирака перекрывает
,
и вероятность перехода электронов
валентной зоны в зону проводимости не
равна 0.
Таким образом, в полупроводниках (что их коренным образом отличает от диэлектриков) сравнительно небольшие энергетические воздействия, обусловленные нагревом или облучением, могут привести к отрыву некоторых электронов от своих атомов. В этом состоит механизм образования носителей в чистых полупроводниках.
При температуре T=0 K и отсутствии других внешних факторов собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики. При повышении температуры электроны с верхних уровней валентной зоны могут перейти на нижние уровни зоны проводимости. При наложении электрического поля электроны перемешаются против поля. В полупроводнике появляется электрический ток. Проводимость собственных полупроводников, обусловленная электронами, называется электронной проводимостью, или проводимостью n - типа.
Из-за теплового перехода электронов в валентной зоне возникают вакантные состояния, получившие название дырок. Во внешнем электрическом поле на освободившееся от электрона место, дырку, может перейти электрон с соседнего уровня, а дырка появится в том месте, которое покинул электрон и т.д. Такой процесс заполнения дырок электронами равноценен перемещению дырки в направлении, противоположном перемещению электрона. В действительности дырки не перемещаются. Проводимость собственных полупроводников, обусловленная дырками (квазичастицами), называется дырочной проводимостью, или проводимостью p - типа.
Таким образом, в собственных полупроводниках наблюдаются два механизма проводимости: электронный и дырочный. Число электронов в зоне проводимости равно числу дырок в валентной зоне. Следовательно, если концентрация электронов проводимости и дырок равна соответственно ne и np, то ne = np.
Проводимость собственных полупроводников всегда является возбужденной, т.е. появляется только под действием внешних факторов (повышения температуры, облучения, сильных электрических полей и т.д.).
В собственном полупроводнике уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны. При переходе электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости затрачивается энергия активации, равная ширине запрещенной зоны E, что приводит к появлению в валентной зоне дырки. Энергия, затраченная на возникновение пары носителей тока, должна делится на две равные части. Следовательно, начало отсчета для каждого из этих процессов должно находиться в середине запрещенной зоны. Энергия Ферми в собственном полупроводнике представляет собой энергию, от которой возникает возбуждение электронов и дырок.
Удельная проводимость собственных полупроводников
,
где o – постоянная, характерная для данного полупроводника.
Удельное электросопротивление полупроводников
.
Увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры объясняется тем, что с повышением температуры у полупроводников растет число электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости и участвуют в проводимости.