Собственная электрическая проводимость полупроводников и ее зависимость от температуры и освещенности

Для понимания механизма электрической проводимости в полупроводниках рассмотрим строение полупроводниковых кристаллов и природу связей, удерживающих атомы кристалла друг возле друга. Кристаллы германия и других полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку. Плоская схема структуры германия показана на рисунке 1.

Рис. 1

Германий — четырехвалентный элемент, во внешней оболочке атома есть четыре электрона, слабее связанных с ядром, чем остальные. Число ближайших соседей

каждого атома германия также равно 4. Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется посредством парноэлектронной — ковалентной связи.

В ее образовании участвует по одному электрону от каждого атома. Эти ковалентные связи при низких температурах достаточно прочны, и свободных электронов в кристалле почти нет. Поэтому полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток. Участвующие в связи валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле почти не влияет на их движение.

Электропроводимость химически чистого полупроводника возможна в том случае, когда ковалентные связи в кристаллах разрываются и появляются свободные электроны. Например, нагревание даже до небольших температур приводит к разрыву ковалентных связей, появлению свободных электронов и возникновению собственной электронной проводимости чистого полупроводника (проводимости n-типа). После ухода электрона со своего места в этой области кристалла нарушилась его нейтральность. В том месте, откуда ушел электрон, возникает избыточный положительный заряд — образуется положительная "дырка" (рис. 1). Она обладает положительным зарядом, равным по модулю заряду электрона. На освободившееся от электрона вакантное место — дырку — может перескочить другой электрон, а это эквивалентно перемещению дырки в направлении, противоположном направлению движения электрона. В отсутствие внешнего электрического поля эти свободные электроны и дырки движутся в кристалле полупроводника хаотически.

Во внешнем электрическом поле электроны перемещаются в сторону, противоположную направлению напряженности электрического поля. Положительные дырки перемещаются в направлении напряженности электрического поля (рис. 2). Процесс перемещения электронов и дырок во внешнем поле происходит по всему объему полупроводника.

Рис. 2

Электропроводность чистого полупроводника, обусловленная упорядоченным перемещением дырок, называется собственной дырочной проводимостью (проводимость p-типа). Общая удельная электропроводность полупроводника складывается из проводимостей n-типа и p-типа. При этом у чистых полупроводников число электронов проводимости всегда равно числу дырок.

Дополнительная энергия, которая должна быть затрачена, чтобы разорвать парноэлектронную связь и сделать электрон свободным, называется энергией активации. Получить эту энергию электроны могут при нагревании кристалла, при облучении его высокочастотными электромагнитными волнами и т.д.

С повышением температуры возрастает число разрывов ковалентных связей и увеличивается количество свободных электронов и дырок в кристаллах чистых полупроводников, а следовательно, возрастает удельная электропроводность и уменьшается удельное сопротивление чистых полупроводников. График зависимости удельного сопротивления чистого полупроводника от температуры приведен на рис. 3.

Рис. 3

Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и, как следствие, возникновение собственной проводимости полупроводников и уменьшение удельного сопротивления могут быть вызваны освещением (фотопроводимость полупроводника), а также действием сильных электрических полей.