72. Собственная и примесная проводимости полупроводников. Фотопроводимость.

Полупроводники

Полупроводниками являются вещества, удельное сопротивление которых изменяется в широком интервале от 10-5 до 108 Ом.м и очень быстро уменьшается с ростом температуры. Наиболее широко применяются такие полупроводники, как Si и Ge. Различают собственные и примесные полупроводники.

Собственными являются химически чистые полупроводники. В них при Т = 0 К все уровни валентной зоны (ВЗ) заполнены электронами и в зоне проводимости электроны отсутствуют (рис. 15.3). Электрическое поле не может перебросить их из валентной в зону проводимости (ЗП), поэтому собственные полупроводники при Т = 0К ведет себя как диэлектрики. При Т > 0 К в результате тепловой генерации часть электронов переходит с верхних уровней ВЗ на нижние уровни ЗП. Вследствие образования вакантных уровней в ВЗ поведение электронов ВЗ может быть представлено как движение положительно заряженных квазичастиц, называемых дырками.

Распределение электронов по уровням ВЗ и ЗП подчиняется распределению Ферми-Дирака (рис. 7).

У собственных полупроводников значение уровня Ферми равно

где ΔЕ – ширина запрещенной зоны; mД* и mЭ* - эффективные массы дырки и электрона в ЗП. Обычно второе слагаемое мало и EF = ΔE/2.

Электропроводность собственных полупроводников зависит от температуры по следующему закону

где ΔЕ – ширина ЗЗ, σ0 – константа.

Имея температурную зависимость lnσ от 1/T, можно по графику определить ширину запрещенной зоны полупроводника ΔЕ.

Собственная проводимость.

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Примесная проводимость делится на электронную (или n-типа) и дырочную (р-типа) проводимость. Для получения полупроводника n-типа – элемента IY группы) вводят донорную примесь, т.е. элемент Y группы.

При повышении температуры концентрация примесных носителей быстро достигает насыщения, т.е. примесная проводимость доминирует при низких Т, с ростом температуры увеличивается вклад собственной проводимости. Таким образом, проводимость полупроводника при высоких Т становится смешанной.

Фотопроводимость полупроводников — увеличение электропроводности полупроводников под действием электромагнитного излучения — может быть связана со свойствами как основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. В первом случае при поглощении фотонов, соответствующих собственной полосе поглощения полупроводника, т. е. когда энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны (hn  DE), могут совершаться перебросы электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 324, а), 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.