1.2. Власні напівпровідники

Провідність хімічно чистих напівпровідників називають власною провідністю, а самі напівпровідники  власними напівпровідниками.

На рисунку 1 зліва показані енергетичні зони власного напівпровідника при температурі абсолютного нуля. Над повністю заповненою електронами зоною 1 на відстані приблизно 1 еВ розташована вільна від них зона 2. Тіло с такою структурою енергетичних зон є діелектри­ком.

Якщо під впливом зовнішнього чинника (наприклад, підвищення температури) частина електронів із зони 1 буде перекинута в зону 2, то зона 2, ставши укомплектованою тільки частково, стане зоною провідності. С іншого боку, раніше ціл­ком заповнена зона 1, загубивши частину електронів, стає також частково заповненою зоною і також стає зоною провідності. Отже підвищення температури перетворює тіло із діелектрика в провідник. В зоні 1 знаходяться електрони зовнішніх орбіт атомів, і тому вона називається валентною зоною. В зоні 2 розташовані вільні електрони (трансляційні), і тому вона називається зоною провідності.

Таким чином, основною особливістю напівпровідника є та, що електрична провідність його є збудженою; вона зявляється у напівпровідника під дією зовнішнього чинника. Такими чинниками можуть бути тепло, опромінювання, електричні поля та ін. Щоб збудити провідність напівпровідника, треба електронам валент­ної зони передати додаткову енергію Е_заб, необхідну для переходу їх в зону провідності. Цю енергію називають енергією активації.

Електрони частково заповненої зони 2 є негативними носіями струму. Після видалення частки електронів з верхніх рівнів зони 1 в ній утворюються дірки, які поводять себе в зовнішньому електричному полі як частки с позитивним зарядом. Тому дірки є позитивними носіями струму в напівпровідниках.

Згідно з наявністю двох видів носіїв струму в напівпровідниках розрізняють електрон­­­ну и діркову провідності. Їх величини визначаються концентраціями електронів і дірок, а також їх рухливістю. Загальна провідність власних напівпровідників може бути обчислена за формулою:

де n_i, p_i  концентрація електронів і дірок, _n,_p  їх рухливість.

Через те, що концентрація електронів і дірок у власних напівпровідниках однакова

(Е_заб  ширина забороненої зони, T  температура, k  постійна Больцмана, A  коефіцієнт, що залежить від роду напівпровідника), то

Рухливість електронів і дірок неоднакова. Так, при температурі 300 К для германія _n=0,36 м²/В^.с, _p=0,18 м²/В^.с., а для кремнію _n=0,13 м²/В^.с, _p=0,04 м²/В^.с Отже, електронна провідність власних напівпровідників в 2-3 рази вище, ніж діркова.

1.3. Домішкові напівпровідники

Електрична провідність напівпровідників, зумовлена домішками, називається домішковою провідністю, а самі напівпровідники  домішковими напівпровідниками. Електрична провідність напівпровідників дуже чутлива навіть до найменшої кількості домішок, які є в них. Так, домішок в кремній всього 0,001% бору збільшує його провідність при кімнатній температурі приблизно в 1000 разів.

Для вияснення механізму утворення домішкової провідності розглянемо вплив 5‑валентного миш'яку и 3-валентного індію на властивості германія, який є елементом четвертої групи періодичної системи елементів.

Германій має решітку, в якій кожен атом оточують 4 сусідніх атоми, зв'язаних з ним валентними силами (валентними електронами). На рисунку 2 показано плоску ідеалізовану схему кристалічної решітки германія. Насправді кристали германія мають форму тетраедра, в вершинах якого розташовані атоми. Позитивні заряди атомів компенсуються негативними зарядами електронів, і в цілому кристал є електрично нейтральним.

Замінимо частину атомів германія атомами 5-валентного миш'яку (As). Для створення зв'язку з чотирьома найближчими сусідами атом миш'яку затрачує 4 валентних електрона. П'ятий електрон у створенні зв'язків участі не бере. Він продовжує рухатися навколо атома миш'яку. Внаслідок того, що діелектрична проникність германію =16, сила притягання електрона до ядра зменшується, а розміри його орбіти збільшуються в 16 разів; енергія зв'язку електрона з атомом зменшується в ²=256 разів і стає рівній Е_d=0,015 еВ. При передачі електрону такої енергії він відриваєть­ся від атома і одержує здатність вільно переміщуватись у ре­шітці германію, тобто стає електроном провід­ності.

На мові зонної теорії цей процес можна представити так. Між заповненою валентною зоною і зоною провідності чистого германію розташовується вузький енерге­тичний рівень валентних електронів миш'яку (рисунок 3). Цей рівень розташовується біля дна зони провідності на відстаніЕ_d=0,015 еВ. Його нази­вають донорним домішковим рівнем. При передачі електронам домішкового рівня енергії Е > 0,015 еВ (для цього тіло треба "нагріти" до температури 200 К) вони переходять в зону провідності. При цьому на місці атомів домішок утворюються позитивні іони миш'яку, які в електропровідності участі не беруть.

Через те, що енергія збудження електронів домішкових рівнів майже на 2 порядки менше енергії збудження власних елек­тронів германія, то при нагріванні збуджуються в першу чергу електрони домішкових атомів, внаслідок чого їх концен­трація може в багато разів перевищити концентрацію власних електронів. В цих умовах германій буде мати в основному домішкову електронну провідність. Домішки, що є джерелом електронів провідності, називають донорами, а енер­гетичні рівні цих домішок  донорними рівнями.

Припустимо тепер, що в решітці германію частина атомів заміщена атомами трьохвалентного індію (рисунок 4). Для утворення зв'язків с 4-ма найближчими сусідами у атома індію не дістає 1-ого електрона. Згідно закономірностям квантової статистики він запозичується у атома германія. Розрахунок показує, що для цього потрібно затратити енергію по­рядку Е=0,015 еВ. Розірваний зв'язок (дірка) не залишається локалізованою, а переміщується в решітці германію як вільний позитивний заряд +е.

На рисунку 5 показані енергетичні зони германію, який має домішок індію. Біля верхнього краю заповненої зони на відстані Е_а=0,015 еВ розташовані незаповнені енергетичні рів­ні атомів індію. Близькість цих рівнів до заповненої зони приз­водить до того, що вже при порівняно низьких температурах електрони з цієї зони переходять на домішкові рівні. Зв'язуючись з атомами індію, вони втрачають здібність переміщатися в решітці германію і в провідності участі не беруть. Носіями струму є тільки дірки, які виникли в валентній зоні. Тому провідність германію у цьому випадку в ос­новному діркова. Домішки, що захоплюють електрони із валентної зони напівпровідника, називаються акцепторами, а енергетичні рівні цих домішок  акцепторними рівнями.

Таким чином, на відміну від власної провідності, яка здійснюється одночасно електронами і дірками, домішкова провідність обумовлюється в основному носіями одного знаку: електронами у випадку донорної домішки і дірками у випадку акцепторної домішки. Ці носії називають основними. Окрім них напівпровідник містить неосновні носії: електро­н­ний напівпровідник  дірки, дірковий напівпровідник  елек­трони. Концентрація їх значно нижче концен­трації основних носіїв. Тому доля, що вноситься ними в прові­дність напівпровідника, в багато разів менше ніж доля, що вноситься основними носіями.