1.6.2. Собственные полупроводники
Собственные полупроводники - это полупроводники, электропроводность которых определяется собственными носителями заряда, появившимися в результате перехода носителей под действием температуры из валентной зоны в зону проводимости полупроводника. Механизм собственной проводимости характерен для сверхчистых полупроводниковых материалов, в которых концентрация примесей не превышает 1016...1024м-3. Однако собственная проводимость наблюдается в полупроводниках также в том случае, когда примеси не оказывают заметного влияния на электропроводность при данной температуре.
Зонная диаграмма собственного полупроводника имеет вид, показанный на рис. 1.23, где Wc- нижний энергетический уровень зоны проводимости (дно зоны проводимости),Wv - верхний энергетический уровень валентной зоны (потолок валентной зоны),Wg=Wc-Wv - ширина запрещенной зоны, значение которой для различных полупроводниковых материалов находится в пределах 0,05...3 эВ.
Вместо энергии электрона W в ряде случаев при построении зонных диаграмм пользуются значениями энергетического потенциала , который определяется из соотношения
,
В, (1.44)
где W - энергия электрона, эВ; e - заряд электрона, принятый за -1.
В этом случае, как показано на рис. 1.23, границам зон соответствуют энергетические потенциалы: c - энергетический потенциал дна зоны проводимости и v - энергетический потенциал потолка валентной зоны. Ширина запрещенной зоны g определяется разностью c-v.
Зонные диаграммы, построенные в координатах энергетических потенциалов , удобно использовать при анализе контактных явлений в полупроводниках (в p-n переходах, переходах типа металл-диэлектрик-полупроводник и др.), для которых характерно наличие внутренних электрических полей. При этом значения энергетического потенциала возрастают в направлении электрического поля.
П
роведем
анализ зонной диаграммы собственного
полупроводника, представленной на рис.
1.23. Как уже отмечалось, в собственном
полупроводнике приТ=0 валентная
зона полностью заполнена электронами,
а зона проводимости абсолютно свободна.
В этих условиях полупроводник ведет
себя подобно идеальному диэлектрику,
то есть не проводит электрический ток.
При температуре Т>0 имеется вероятность того, что некоторые из электронов за счет тепловых колебаний решетки преодолевают потенциальный барьерWg и "окажутся" в зоне проводимости. Такой переход, соответствующий генерации свободных носителей заряда, обозначен на рис. 1.23 стрелкой, направленной вверх. Одновременно в полупроводнике наблюдается процесс рекомбинации носителей заряда, обозначенный на рис. 1.23 стрелкой, направленной вниз. При установившейся температуре полупроводника скорости процессов генерации и рекомбинации равны.
При приложении к полупроводнику внешнего электрического поля Еэлектроны зоны проводимости переходят на близлежащие свободные уровни энергии в зоне проводимости и принимают участие в процессе электропроводности.
В результате перехода электрона в зону проводимости, в валентной зоне полупроводника остается свободное энергетическое состояние, представляющее дырку. Вследствие этого валентная зона оказывается не полностью заполненной электронами. Благодаря наличию незанятых состояний электроны валентной зоны также принимают участие в процессе электропроводности за счет эстафетных переходов под действием электрического поля на более высокие освободившиеся энергетические уровни. Совокупное поведение электронов валентной зоны можно представить как движение дырок, обладающих положительным зарядом qи эффективной массой m*.