Напівпровідники

Напівпровідники зобов'язані своєю назвою тій обставині, що по величині електропровідності вони займають проміжне положення між металами і ізоляторами. Проте характерною для них є не величина провідності, а то, що їх провідність росте з підвищенням температури (нагадаємо, що у металів «на зменшується). Напівпровідниками є речовини, у яких

Лекція 29 Власні напівпровідники

1. Власна провідність напівпровідників

Напівпровідники – це тверді тіла, які при Т = 0 характеризуються повністю зайнятою електронами валентною зоною, що відділена від зони провідностіпорівняно вузькою (порядка 1еВ) заборонною зоною (див. рис. 28.3,в з попередньої лекції).

Рис. 28.3

Свою назву вони отримали тому, що їх електропровідність менша за електропровідність металів і більша за електропровідність діелектриків.

В природі напівпровідники існують у виді елементів ІV, V та VI груп Періодиної системи елементів Менделєєва (наприклад, кремній Sі, германій Ge, миш'як Аs, селен Se, теллур Те) та хімічних сполук, напрклад оксиди, селеніди, сплави елементів різних груп.

Розрізняють власні та домішкові напівпровідники. Власними напівпровідниками є хімічно чисті напівпровідники, а їх провідність називається власною провідністю.

Таким чином, власна провідність напівпровідників виявляється у хімічно чистих напівпровідників (власних напівпровідників), таких як германій – Ge, селен – Se, сполуки CdS).

Як приклад на рис.29.1 наведена спрощена плоска схема атомів в кристалі германію Ge, який має гратки типу алмаза. В гратці кожний атом зв'язаний ковалентними зв'язками з чотирма найближчими сусідами. На малюнку на плоскій схемі атомів кожна риска – це зв'язок, здійснюваний одним електроном. В ідеальному кристалі при 0 К така структура є діелектриком, оскільки всі валентні електрони беруть участь в утворенні зв'язків, і тому вільні електрони відсутні.

Рис. 29.1

При підвищенні температури теплові коливання гратки призводять до розриву деяких валентних зв'язків, внаслідок чого частина електронів відщеплюється і вони стають вільними. В покинутому електроном місці виникає дірка (вона зображена на малюнку білим кружком), заповнити яку можуть електрони з сусідньої пари. В результаті дірка, так само як і електрон, що звільнився, рухатиметься по кристалу.

Рух електронів провідності і дірок у відсутність електричного поля є хаотичним. Якщо ж на кристал накласти електричне поле, то електрони почнуть рухатись проти поля, дірки – по полю, що призведе до виникнення власної провідності германію, обумовленої як електронами, так і дірками.

По зонній теорії: з підвищенням температури електрони з верхніх рівнів валентної зони I можуть бути перекинуті на нижні рівні зони провідності II (рис. 29.1). При накладенні на кристал електричного поля електрони переміщатимуться проти поля і створюватимуть електричний струм. Таким чином, зона ІІ внаслідок її часткового "укомплектування" електронами стає зоною провідності. Провідність власних напівпровідників, обумовлена електронами, називається електронною провідністю або провідністю n-типу (від лат. negative – негативний)

В результаті теплових закидань електронів із зони І в зону ІІ у валентній зоні виникають вакантні стани, які називаються дірками. При накладенні поля на місце, що звільнилося від електрона, тобто на дірку, можепереміститися електрон з сусіднього рівня, знову таки утворюється дірка і т. д. Дірки переміщуються в напрямі, протилежному руху електронів. Провідність власних напівпровідників, обумовлена дірками, називається дірковою провідністю або провідністю р-типу (від лат. positive – позитивний).

Таким чином, у власних напівпровідниках спостерігається електронно-дірковий механізм провідності.