118. Власна провідність напівпровідників

Напівпровідниками є тверді тіла, які при Т = 0 характеризуються повністю зайнятою електронами валентною зоною, відокремленою від зони провідності порівняно вузькою (Е <= 1еВ) забороненою зоною.

У природі напівпровідники існують у вигляді хімічних елементів (елементи IV, V, VI груп), наприклад, Si, Ge, As, Se, Te, і хімічних сполук (оксиди, сульфіди, селеніди, сплави елементів різних груп). Розрізняють власні і домішкові напівпровідники. Власними напівпровідниками є хімічно чисті напівпровідники, їх провідність називається власною провідністю.

Н а рис. 202 наведена спрощена схема структури власного напівпровідника. При абсолютному нулі його валентна зона укомплектована повністю, зона провідності, яка розміщена над валентною зоною на відстані , є порожньою.

О тже, при Т = 0 і за відсутності інших зовнішніх факторів власні напівпровідники ведуть себе як діелектрики. При підвищенні температури електрони з верхніх рівнів валентної зони можуть бути перекинуті на нижні рівні зони провідності (рис. 203). При накладанні на кристал електричного поля вони переміщаються проти поля і створюють електричний струм. Таким чином, зона внаслідок часткового укомплектування електронами стає зоною провідності.

Провідність власних напівпровід ників, зумовлена електронами, називається електронною провідністю, або провідністю n-типу.

Внаслідок теплових переходів електронів із валентної зони в зону провідності у валентній зоні виникають вакантні стани, які називаються дірками. У зовнішньому електричному полі на місце, яке звільнилось від електрона - дірку, може переміститися електрон із сусіднього рівня, а дірка появиться в тому місці, яке звільнив електрон і т.д. Такий процес заповнення дірок електронами рівнозначний переміщенню дірки в напрямі, протилежному до руху електрона, так, як би дірка мала позитивний заряд, який дорівнює за величиною заряду електрона.

Провідність власних напівпровідників, зумовлена квазічастинками-дірками, називається дірковою провідністю, або провідністю р-типу.

Отже, у власних напівпровідниках спостерігаються два механізми провідності - електронна і діркова. Кількість електронів в зоні провідності дорівнює кількості дірок у валентній зоні, тобто N_e = N_р.

П ровідність напівпровідників завжди є збудженою, тобто появляється лише під дією зовнішніх факторів (температури, опромінювання, сильних електричних полів і т.д.). У власному напівпровіднику рівень Фермі знаходиться на середині забороненої зони (рис. 204).

Енергія Фермі у власному напівпровіднику - це енергія, від якої відбувається збудження електронів і дірок.

Характерною особливістю власних напівпровідників є збільшення їх питомої провідності із підвищенням температури. З погляду зонної теорії ця обставина пояснюється так: при підвищенні температури збільшується кількість електронів, які внаслідок теплового збудження переходять в зону провідності і беруть участь у перенесенні електричного заряду.

Найбільш поширеним напівпровідниковим елементом є германій, що має гратку типу алмазу, в якій кожний атом зв'язаний ковалентними зв'язками з чотирма сусідами. В ідеальному кристалі при Т = 0К така структура є діелектриком, оскільки всі валентні електрони беруть участь в утворенні зв'язків і не беруть участі в провідності.

У напівпровідниках поряд з процесом генерації електронів і дірок відбувається регенерація: електрони переходять із зони провідності у валентну зону, віддаючи енергію гратці і випускаючи кванти електромагнітного випромінювання. В результаті для кожної температури встановлюється певна рівноважна концентрація електронів і дірок.