3.Напівпровідникові матеріали

До напівпровідників належить велика група речовин з електронною електропровідністю, що за своєю питомою провідністю займає проміжне місце між провідниками й діелектриками. При кімнатній температурі питомий опір напівпровідникових матеріалів перебуває в межах 10-6– 10⁹ Ом*см. Відмінною рисою напівпровідників є їхня здатність змінювати свої властивості під впливом зовнішніх факторів (температури, електричних і магнітних полів і т.д.). Крім того, властивості напівпровідників істотно залежать від різного роду домішок, що існують в речовині. При нагріванні напівпровідників у досить широкому діапазоні температур спостерігається зменшення опору, тобто ці речовини на відміну від металів мають негативний температурний коефіцієнт опору.

Електричний струм у напівпровідниках, як і в металах, обумовлений дрейфом носіїв заряду. Однак на відміну від металів поява носіїв зарядів у напівпровідниках залежить від ряду зовнішніх факторів, у першу чергу від температури й хімічної чистоти матеріалу. Залежно від ступеня чистоти напівпровідники розділяють на власні й домішкові.

Власний – це такий напівпровідник, в якому при даній температурі можна знехтувати впливом домішок. Відповідно до зонної теорії напівпровідник при температурі абсолютного нуля можна розглядати як ідеальний діелектрик, у якого валентна зона повністю заповнена, а зона провідності вільна. Процес електропровідності повністю відсутній у зв'язку з наявністю забороненої зони. При підвищенні температури зростає ймовірність того, що деякі електрони зможуть подолати потенційний бар'єр і перейти в зону провідності. Кожний перехід електрона в зону провідності супроводжується утворенням дірки у валентній зоні. Наявність дірок у валентній зоні дозволяє електронам брати участь у процесі електропровідності в результаті переходів на більш високі енергетичні рівні. Такі переходи можна подати як рух дірок, що мають позитивний заряд і деяку ефективну масу. Одночасно з генерацією в напівпровіднику протікає процес рекомбінації, тобто повернення електрона у валентну зону й зникнення пари носіїв заряду. У результаті цих процесів у напівпровіднику встановлюється рівноважна концентрація електронів n_o і дірок р_о при будь-якій температурі. У власних напівпровідниках рівноважні концентрації електронів n_i і дірок p_i рівні між собою:

n_i = p_i; n_i + p_i = 2n_i .

Домішковим називають напівпровідник, електрофізичні властивості якого визначаються в основному домішками. Як правило, домішки створюють додаткові рівні в забороненій зоні.

Коли домішкові атоми перебувають у вузлах кристалічних решіток, вони називаються домішками заміщення, а якщо в межвузловому просторі - домішками впровадження.

Домішки можуть поставляти електрони в зону провідності напівпровідника або приймати їх з рівнів валентної зони. Коли домішкові рівні розташовані в забороненій зоні поблизу нижнього краю зони провідності, то під впливом зовнішніх факторів електрони з домішкових рівнів можуть переходити у вільну зону й брати участь у процесі електропровідності. При цьому витрачається значно менше енергії, ніж необхідно для іонізації власних атомів напівпровідника.

Домішки, які поставляють електрони в зону провідності напівпровідника, називаються донорами. У таких матеріалах концентрація електронів перевищує концентрацію дірок, тому вони називаються напівпровідниками n-типу.

У ряді випадків введення домішок створює незаповнені рівні в забороненій зоні поблизу верхньої межі валентної зони. Електрони можуть із валентної зони під дією теплової енергії перейти на вільні домішкові рівні, але участі в процесі електропровідності вони не беруть у зв'язку з роз'єднаністю атомів домішок. Концентрація дірок у таких напівпровідниках вище концентрації електронів, тому вони називаються напівпровідниками р-типу. Домішки, які захоплюють електрони з валентної зони, одержали назву акцепторів.

У напівпровідниках можуть одночасно перебувати як донорна, так і акцепторна домішки. Такі напівпровідники називають компенсованими.