7. Собственная проводимость полупроводников. Элементарные полупроводники IV группы

*Собственной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная движением под действием электрического поля одинакового числа свободных электронов и дырок, образовавшихся вследствие перехода электронов полупроводника из валентной зоны в зону проводимости. В идеальном полупроводнике при собственной проводимости концентрации электронов (n_i) и дырок (p_i) равны и много меньше числа уровней в валентной зоне и зоне проводимости. Поэтому свободные электроны занимают уровни вблизи дна зоны проводимости E_c, а свободные дырки - вблизи потолка валентной зоны E_v (рис. 1). При этом:

 n_i = p_i = A exp(-DE/2kT),  (1)

 

где A=4,82Ч10¹⁵T ^3/2(m_n^*m_p^*/m²)^3/4;

m_n^*, m_p^* - эффективные массы электрона и дырки;

m - масса электрона;

k - постоянная Больцмана;

DE - ширина запрещенной зоны полупроводника;

T - абсолютная температура (дыркам приписывается эффективная масса m_p, равная по абсолютной величине эффективной массе того электрона, который занял бы это валентное состояние, но с противоположным знаком; эффективная масса электрона в валентной зоне вблизи E_v отрицательна).

*С точки зрения зонной теории, полупроводники – это вещества, ширина запрещенной зоны у которых находится в диапазоне 0,3< ΔE₀ <3эВ Чем больше ширина запрещенной зоны, тем меньше вероятность того, что электрон перескочит в зону проводимости. Если это все же произошло, в зоне проводимости появляются подвижные электроны, а в валентной зоне – дырка. Электроны могут двигаться только в зоне проводимости, а дырки – только в валентной зоне. Наличие подвижных электронов и дырок обеспечивает полупроводникам собственную проводимость.

Элементарные полупроводники IV группы

Типы полупроводников в периодической системе элементов

В нижеследующей таблице представлена информация о большом количестве полупроводниковых соединений. Их делят на несколько типов: одноэлементные полупроводники IV группы периодической системы элементов, сложные: двухэлементные A^IIIB^V и A^IIB^VI из третьей и пятой группы и из второй и шестой группы элементов соответственно. Все типы полупроводников обладают интересной зависимостью ширины запрещённой зоны от периода, а именно — с увеличением периода ширина запрещённой зоны уменьшается.

Группа

IIB

IIIA

IVA

VA

VIA

Период

2

5 B

6 C

7 N

3

13 Al

14 Si

15 P

16 S

4

30 Zn

31 Ga

32 Ge

33 As

34 Se

5

48 Cd

49 In

50 Sn

51 Sb

52 Te

6

80 Hg