Собственные полупроводники

Типичными собственными полупроводниками являются элементы IV группы таблицы Менделеева, например, германий (Gе), кремний (Si). На рис.3 представлена схема такого полупроводника. Каждый валентный электрон обращается вокруг ядер двух атомов (ковалентная связь), т.е. вокруг каждого ядра движется восемь обобществленных валентных электронов.

Электрон, получивший энергию ∆Е или больше, переходит в зону проводимости, разорвав одну из связей (см.рис.З). При этом в валентной зоне появляется "вакантное место" - так называемая "ДЫРКА", которая без затраты энергии может быть заполнена другим электроном валентной зоны. Тогда новое "вакантное место" образуется в валентной зоне, что эквивалентно диффузии положительной "дырки". Таким образом, "дырка" является СВОБОДНЫМ ЗАРЯДОМ и, так же как электрон, участвует в хаотическом движении.

Рис. 3

Если полупроводник помещен во внешнее электрическое поле, на хаотическое движение свободных зарядов (электронов и дырок) накладывается УПОРЯДОЧЕННОЕ ДВИЖЕНИЕ (ток). Электрон и дырка образуются вместе, поэтому проводимость собственных полупроводников характеризуется равенством числа электронов и дырок.

Для оценки концентрации электронов в зоне проводимости можно воспользоваться формулой ( из распределения Больцмана):

(3)

где N_с - число атомов в единице объема; Т - температура образца; k - постоянная Больцмана; -энергия, необходимая для образования одного свободного заряда ( при затрате энергии активации образуются два свободных заряда).

Удельная проводимость полупроводника

, (4)

где b₊ и b_- - подвижности соответственно положительных и отрицательных свободных зарядов. Таким образом, проводимость полупроводников зависит от температуры по экспоненциальному закону. Если Т = 0⁰ К, то = 0. При достаточно высокой температуре ≈ .

ж) Подвижность b == u/Е численно равна средней скорости упорядоченного движения свободных зарядов в поле единичной напряженности. Если в состав чистого полупроводника ввести малое количество атомов примеси V группы таблице Менделеева, то четыре валентных электрона атома примеси вступают в ковалентную связь с атомами полупроводника, а пятый электрон остается слабо . связанным только со своим ядром На рис.4а схематически изображена кристаллическая решетка, например, германия с примесью фосфора. Если концентрацияпримеси гораздо меньше концентрации полупроводника, можно считать, что атомы примеси не взаимодействуют друг с другом, поэтому не образуют зон. Примесь выбирается такой, чтобы ее верхний валентный уровень был расположен в запрещенной зоне полупроводника ближе к ее верхней границе (рис.4б). Ширина, запрещенной зоны ∆Е~1эв, а разница энергий нижней границы свободной зоны и уровня примеси ∆Е_d ~ 0,01 эв.

Рис.4.а Рис.4.б

Поэтому за счет внутренней энергии решетки многие пятые электроны примеси переходят в свободную зону. Атомы примеси при этом становятся положительными ионами (не дырками!), но не являются свободными зарядами. Концентрация свободных электронов примесного полупроводника в основном определяется концентрацией атомов примеси. Такого рода примесь называется ДОНОРНОЙ (лат.donare-дарить), а проводимость полупроводника - ЭЛЕКТРОННОЙ. Полупроводник с донорной примесью называется полупроводником n -ТИПА. (negativuc-отрицательный).

Если в чистый полупроводник ввести небольшое количество атомов III группы таблицы Менделеева, то каждый атом примеси будет связан с тремя атомами решетки двойными связями, а с четвертым атомом - одинарной связью (рис.5а). Верхний валентный уровень примеси будет незаполненным. Примесь выбирается так, чтобы этот уровень был расположен в запрещенной зоне полупроводника, ближе к ее нижней границе (рис.5б). Например, для галлия , ∆Е_а ~ 0,05 эв, что гораздо меньше ∆Е. Поэтому с небольшой затратой внутренней энергии один из валентных электронов полупроводника может перейти

Рис. 5.а Рис. 5.б

на незаполненный уровень примеси, разорвав свою ковалентную связь (см. рис. 5а). При комнатной температуре (Т ≈ 300°К) многие атомы примеси примут по одному электрону и станут связанными отрицательными ионами (несвободными зарядами). На месте разорванной ковалентной связи в валентной зоне образуется дырка. Концентрация дырок, таким образом определяется концентрацией атомов примеси. Такая примесь называется АКЦЕПТОРНОЙ (лат. acceptor-принимающий), а проводимость полупроводника - ДЫРОЧНОЙ. Полупроводник с акцепторной примесью называется ПОЛУПРОВОДНИКОМ Р-ТИПА. (лат.positivus-полоительный).

В отличие от полупроводников, у металлов в зоне проводимости всегда имеются электроны о постоянной концентрацией, которые определяют электропроводность металлов при обычных температурах.