3.2. Собственные (чистые) полупроводники.

На внешней оболочке атомов простых полупроводников имеется четыре валентных электрона. Когда атомы связываются в кристаллическую решетку, эти электроны становятся общими для ближайших четырех атомов, такая связь называется ковалентной.

Рис. 3.1.Кристаллическая решетка собственного полупроводника

В невозбужденном состоянии свободных электронов нет. Но при внешнем энергетическом воздействии какому-либо электрону сообщается дополнительная энергия, он отрывается от атома и начинает свободно перемещаться по кристаллу. Но при этом на его месте образуется электронная дырка. Т.о. процесс генерации носителей в собственном полупроводнике – образование электронно-дырочной пары. А процесс исчезновения этой пары, т.е., когда дырка встречается с электроном – рекомбинация.

Дырки и электроны, образованные в процессе генерации, есть собственные носители зарядов n_{i ,} p_i.

3.2.1. Концентрация собственных носителей заряда.

Так как при каждом акте возбуждения в собственном полупроводнике одновременно образуются два заряда, противоположных по знаку, то общее количество носителей будет в два раза больше числа электронов в зоне проводимости, т.е.

n_oi=p_oi, n_oi+p_oi=2 n_oi (3.1)

В результате процессов генерации и рекомбинации при любой температуре тела устанавливается равновесная концентрация возбужденных носителей:

электронов

n_oi=2N_cexp( ) (3.2)

дырок

p_oi=2N_Bexp( ) (3.3)

 W - ширина запрещенной зоны полупроводника, N_c - эффективная плотность состояния (число энергетических уровней в единице объема ПП) в свободной зоне,

N_B - то же в валентной зоне.

Коэффициент 2 показывает, что на каждом уровне могут находиться по два электрона с противоположными спинами.

- постоянная Больцмана.

В случае собственной электропроводности

n_i=p_i, но J_n> J_p

т.к. подвижность электрона больше подвижности дырки. А подвижность µ есть отношение скорости перемещения носителя к напряженности электрического поля в ПП:

 = (3.4)

Следовательно, в поле кристаллической решетки электроны и дырки обладают различной инерционностью, т.е. отличаются друг от друга эффективными массами. В большинстве случаев, следовательно, собственная электропроводность полупроводника имеет слабо преобладающий электронный характер.

3.3. Примесные полупроводники

Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Поэтому в практике важное значение имеют такие полупроводниковые материалы, у которых ощутимая концентрация собственных носителей заряда наблюдается при достаточно высокой температуре, т.е. с большой шириной запрещенной зоны. Поставщиками свободных носителей зарядов в рабочем интервале температур в таких ПП являются примеси.

Примесями в простых полупроводниках являются чужеродные атомы. В химических же соединениях это не только чужеродные атомы, но и атомы тех самых элементов, избыточные по стехиометрическому составу. Кроме того, роль примесей играют дефекты кристаллической решетки.

Рассмотрим роль примесей, атомы которых создают дискретные энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника.