Собственные (чистые) полупроводники
Собственные полупроводники – химически чистые полупроводники (без примесей), - Ge, Se и соединения GaAs, CdS и др.
Рассмотрим модель идеального абсолютно чистого бездефектного полу-проводникового кристалла, например германия, при 0 К (рис. а).
Германий принадлежит к IV группе периодической системы Д.И.Менделеева. На его внешней оболочке находятся 4 валентных электрона, обеспечивающие парноэлектронные (ковалентные) связи ионов в узлах кристаллической решётки. Валентная зона заполнена. В зоне проводимости электроны отсутствуют (рис. а). За счет энергии электрического поля их переброс туда не возможен
При нагреве, растёт энергия колебательного движения ионов в узлах решетки, и, получив в результате столкновения квант энергии, электроны приобретают возможность перескочить в зону проводимости (рис б).
Эти электроны обусловят электронную проводимость данного полупроводника. Кроме того, в валентной зоне появятся вакантные места, на которые могут переходить другие валентные электроны, связанные в пространстве с другими, соседними атомами. В результате вакансия приобретает возможность перемещаться в пространстве, подобно положительно заряженной частице. Такую квазичастицу назвали «дыркой». Дырки наравне с электронами участвуют в электропроводности полупроводниковых кристаллов, однако, обладают меньшей подвижностью.
Концентрация электронов собственной проводимости и дырок в чистом полупроводниковом кристалле одинакова, поскольку образуются они парами.
В чистых полупроводниках носителями тока являются:
· отрицательно заряженные электроны п (от слова «негатив» );
· положительно заряженные дырки р (от слова «позитив»);
· количество электронов равно количеству дырок
Nn = Np ;
· дырки движутся вниз в валентной зоне, электроны – вверх в валентной зоне и в зоне провдимости.
В собственных полупроводниках уровень Ферми находится посередине запретной зоны (рис) .
Для переброса электрона валентной зоны в зону проводимости затрачивается энергия активации , равная ширине запрещенной зоны. (
идет на переход электрона в зону проводимости и
- на образование дырки).
Зависимость проводимости собственных полупроводников
От температуры
Электрические свойства полупроводников определяются как концентрацией носителей тока, так и характером их взаимодействия с атомами кристаллической решетки. Изменение концентрации носителей тока при изменении температуры при этом имеет более резкую зависимость, которая в основном и определяет проводимость полупроводника.
Удельная проводимость чистых полупроводников
- const для данного полупроводника
Зависимость ln от 1/Т линейная и по её наклону можно экспериментально определить ширину запрещённой зоны
Экспериментальным путем установлено, что сопротивление полупроводников с повышением температуры уменьшается приблизительно по экспоненте:
где ΔЕ - энергия активации;
k – постоянная Больцмана, равняется 1,38·10-23 Дж/К;
Т – абсолютная температура;
А – коэффициент, постоянный для данного вещества.