Напівпровідники

До напівпровідників входить широкий клас речовин. Особливе практичне значення мають германій та кремній (Ge, Si), які стали основою розвитку твердотільної електроніки.

Fig 44

Провідність напівпровідників на декілька порядків нижча ніж провідність металів. Характерною рисою напівпровідників є те, що питомий опір напівпровідника з ростом температури нелінійно спадає. В більшості випадків питомий опір напівпровідників може бути виражений як:

Отже, є експоненціальна залежність питомого опору (питомої провідності) від температури.

Якщо побудувати залежність як функції і , як , то отримаємо наступні залежності:

Fig 45

При низьких температурах всі валентні електрони атомів приймають участь у створенні хімічних зв’язків, в результаті чого в речовині відсутні вільні електрони, тобто немає носіїв струму; зокрема в Ge, який є чотирьох валентним, схему зв’язку малюють так:

Fig 46

Кожен атом взаємодіє з 4-ма сусідами, утворюючи ковалентні (міцні) зв’язки.

При нагріванні речовини деякі зв’язки розриваються, тобто окремі електрони стають вільними. В результаті з’являються вільні електрони і електронні вакансії, які називають «дірками».

Якщо до напівпровідника прикласти зовнішнє поле, то з’явиться напрямлений рух електронів до позитивного полюса батареї, а дірок – до негативного. Тобто, носіями струму в напівпровідниках є електрони і дірки, тому густина струму, що протікає через напівпровідник запишеться через наступне співвідношення:

(обидва числа додатні, бо швидкості напрямлені в різні боки).

Провідність, при якій концентрація електронів і дірок є одинакові називають власною провідністю напівпровідника.

Провідність напівпровідника може бути збільшена, якщо в нього ввести домішки. Атоми-домішки звичайно зв’язані з атомами напівпровідника іншим чином, ніж атоми напівпровідника між собою і ця відмінність може забезпечити домішкову провідність. Найкраще це видно при розгляді домішок іншої валентності. Нехай домішковий атом має п’ять валентних електронів. Якщо замінити атом Ge атомом домішки, то 4 валентні електрони домішкового атому приймають учать в створенні хімічних зв’язків, а 5-ий виявляється зайвим і при досить слабкому нагріванні може відірватись від свого атома (в атомі виникає вільний електрон без виникнення дірки). Дане явище проходить при нижчих температурах, ніж проявляється власна провідність напівпровідника. Тому при низьких температурах домішкова провідність відіграє визначальну роль.

Такий тип домішок називається донором і викликає появу -типу провідності (). Якщо домішка має меншу валентність (наприклад 3), то в атомі домішки не вистачає електрона для створення хімічного зв’язку. В результаті може виникнути додаткова дірка. Така домішка є акцепторна(), а провідність дірковою.

Величина називається енергією активації провідності. власної провідності більше ніж домішкової провідності.

Домішкова провідність, яка накладається на власну має свою експоненту з меншою енергією активації. Це можна виявити з аналізу температурної залежності провідності.

Fig 47

– енергія активації. Дані висновки є справедливі і для провідності діелектриків, однак якщо в напівпровіднику енергія активації не більше 2 еВ то для діелектрика вона може бути і 4-6 еВ. Провідність діелектрика можна підвищити, ввівши домішки. Введення домішок називається легуванням.