Собственные полупроводники

К полупроводникам относятся твердые тела, у которых при абсолютном нуле валентная зона полностью занята электронами, а зона проводимости отделена от валентной сравнительно узкой запрещенной зоной. Своим названием полупроводники обязаны тому, что их электропроводность меньше, чем у металлов, но больше, чем у диэлектриков. Удельное сопротивление полупроводников занимает довольно широкий интервал от 10^-5 до 10⁸ Омּм. Полупроводники разделяются на два класса: собственные полупроводники и примесные. К собственным полупроводникам относятся химически чистые вещества, такие, как и др.

Рассмотрим механизм возникновения собственной проводимости полупроводников на примере германия. Ранее мы выяснили, что при Т = 0 К в собственном полупроводнике отсутствуют свободные носители заряда: четыре валентных электрона атома германия участвуют в ковалентных связях с четырьмя соседними атомами. Если валентный электрон, участвующий в связи, получит дополнительную энергию, достаточную для его отрыва от атома, он покидает связь и становится свободным (рис. 3.6а). Та связь, из которой ушел электрон, становится неполноценной. Нехватка электрона в связи проявляет себя как положительный заряд. На это вакантное место может перейти электрон с одной из соседних связей, тогда положительный заряд перейдет на его место. Это позволило ввести представление о дырках – квазичастицах, несущих положительный заряд, по модулю равный заряду электрона, и перемещающихся по кристаллу под действием электрического поля.

а б

Рис. 3.6. Возникновение собственной проводимости полупроводников

Рассмотрим зонную схему собственного полупроводника (рис. 3.6б). При абсолютном нуле все уровни валентной зоны заняты электронами, а уровни зоны проводимости свободны. Кристалл не проводит электрический ток из-за отсутствия свободных носителей тока. Чтобы они появились, необходимо электронам, находящимся в валентной зоне, сообщить дополнительную энергию, не меньшую, чем ширина запрещенной зоны ΔЕ₀. Получив эту энергию, электроны перейдут на свободные уровни зоны проводимости (рис. 3.6б) и получат возможность перемещаться под действием электрического поля. В валентной зоне на месте ушедших электронов останутся дырки, которые также являются свободными носителями тока. Таким образом, в собственных полупроводниках электропроводность осуществляется движением как электронов, так и дырок. Концентрации электронов и дырок в собственных полупроводниках всегда одинаковы, поскольку появление электрона в зоне проводимости сопровождается появлением дырки в валентной зоне. Проводимость собственных полупроводников является возбужденной, т.е. проявляется только под действием внешних факторов: температуры или облучения. Энергия, необходимая для возбуждения проводимости, называется энергией активации. У собственных полупроводников энергия активации равна ширине запрещенной зоны ΔЕ₀.

Внутренний фотоэффект в полупроводниках. Фоторезисторы

Появление неравновесных носителей в полупроводниках под действием электромагнитного излучения носит название внутреннего фотоэффекта, а возникающая при этом проводимость называется фотопроводимостью. Для появления дополнительных свободных носителей заряда необходимо, чтобы энергия электромагнитного кванта была не меньше, чем энергия активации проводимости (ширины запрещенной зоны): в собственных полупроводниках hν ≥ ΔЕ₀ (рис. 3.7). В этом случае при поглощении фотонов, соответствующих собственной полосе поглощения полупроводника, т. е. когда энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны, могут совершаться перебросы электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 3.7), что приведет к появлению добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). В результате возникает собственная фотопроводимость, обусловленная как электронами, так и дырками.

Из этих условий можно найти красную границу внутреннего фотоэффекта:

.

Р ис. 3.7. Возникновение фотопроводимости у полупроводников

У собственных полупроводников красная граница лежит в видимой области. На рис. 3.8. представлена зависимость удельной электропроводности полупроводников от длины световой волны. При λ > λ₀ внутренний фотоэффект не наблюдается. Спад фотопроводимости в коротковолновой части полосы поглощения объясняется большой скоростью рекомбинации в условиях сильного поглощения в тонком поверхностном слое толщиной x  1 мкм (коэффициент поглощения  10⁶ м^-1).

Н аряду с поглощением, приводящим к появлению фотопроводимости, может иметь место экситонный механизм поглощения. Экситоны представляют собой квазичастицы — электрически нейтральные связанные состояния электрона и дырки, образующиеся в случае возбуждения с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Уровни энергии экситонов располагаются у дна зоны проводимости. Так как экситоны электрически нейтральны, то их возникновение в полупроводнике не приводит к появлению дополнительных носителей тока, вследствие чего экситонное поглощение света не сопровождается увеличением фотопроводимости.

Рис. 3.8. Зависимость удельной электропроводности полупроводников от длины световой волны

На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фоторезисторов – полупроводниковых фотоэлементов, которые изменяют свою электропроводность в зависимости от интенсивности и спектрального состава падающего на них излучения. Основу фоторезистора представляет тонкий слой (или пленка) полупроводникового материала на подложке с нанесенными на него электродами, посредством которых фоторезистор подключается к цепи. В зависимости от назначения фоторезисторы могут быть одно- или многоэлементными (мозаичными), с охлаждением или без него, открытые или герметизированные, выполненные в виде отдельного изделия или в составе интегральной схемы. Фоторезисторы из CdS и CdSe чувствительны в очень широком спектральном диапазоне – от γ-излучения до ближней ИК области, из PbS, PbSe, InSb – в инфракрасной области (до 14 мкм), легированные Si и Ge – также в ИК (до 40 мкм). Для фоторезисторов характерны высокая чувствительность, стабильность фотоэлектрических характеристик во времени, малая инерционность, простота устройства. Их применяют как детекторы излучений в системах автоматического регулирования, в фототелеграфии, в различных устройствах оптоэлектроники.