Проводимость полупроводников

Электрический ток в веществе возникает при перемещении заряженных частиц, например электронов, в одном направлении под действием электрического поля. При этом, как говорят, происходит «перенос заряда».

Различные вещества проводят ток по-разному, и этим определяется их проводимость [2, стр.18].

В зависимости от электропроводности твердые тела делятся на проводники (металлы с проводимостью s>10⁶ - 10⁷ См/м), изоляторы (диэлектрики) с проводимостью s<10 ^-7 – 10 ^-8 См/м, и полупроводники, занимающие промежуточное положение.

Полупроводники, являющиеся основой для конструирования одноименных приборов, имеют значительно отличающийся от металлов тип проводимости. Это связано с внутренним строением полупроводников, представляющих собой кристаллы. В кристалле электроны соседних атомов, находящиеся на внешних орбитах образуют парно - ковалентные связи. Данные электроны обладают наибольшей энергией и могут участвовать в создании проводимости.

Каждый электрон, вращающийся вокруг ядра, обладает вполне определенной энергией, определяемой его энергетическим уровнем. (называется также «дискретный спектр энергий»). максимальной величиной энергии в спектре является энергия ионизации,при достижении которой электрон становиться свободным (ионизацией называется процесс превращения атомов и молекул в ионы, т.е. заряженные частицы).

Энергетические уровни отдельного атома приведены на рис.

При образовании твердого тела межатомные расстояния сокращаются. При этом разрешенные энергетические уровни превращаются в зоны (т.е. разрешенная энергия имеет не какое-либо конкретное значение, а может находиться в некоторых пределах).

Данный процесс проиллюстрирован на рис. 4 На графике Е обозначена как энергия, а d-межатомное расстояние. В кристаллах, в отличие от металлов межатомное расстояние равно d₀ . Пересечение вертикальной линии на уровне d₀ с границами зон энергий представляет собой зонную диаграмму полупроводника.

Для иллюстрации процесса проводимости в твердых телах обычно пользуются именно такой энергетической диаграммой, разбитой на отдельные зоны.

Данная диаграмма показывает, какие энергетические уровни может занимать электрон в атоме конкретного вещества. Дело в том, что в соответствии уравнением Шредингера электроны в атоме могут находиться только на определенных энергетических уровнях, определяемых так называемыми разрешенными зонами. При объединении атомов вещества в решетку (при кристаллизации), как было указано выше, атомы сближаются настолько, что внешние электроны с противоположными спинами образуют пары (становятся общими для двух атомов) и можно условно считать, что атом Германия или Кремния получает по 8 электронов на внешней оболочке (4 своих и 4-от соседних атомов. На рис. 1.3. показаны энергетические зонные диаграммы для проводника (металла), полупроводника и диэлектрика.

В диэлектриках строение вещества таково, что внешние электронные уровни полностью заполнены. Энергия, необходимая для выхода электрона в зону проводимости (ширина запрещенной зоны), очень велика и достигает 10эВ. Такая энергия передана электрону быть не может, вследствие чего диэлектрик обладает малой проводимостью В полупроводниках ширина запрещенной зоны между зоной внешних электронов и зоной проводимости значительно меньше, поэтому электроны могут попадать в зону проводимости под воздействием небольшой энергии. В проводниках (металлах) нижняя граница зоны проводимости лежит ниже верней границы валентной зоны, образуется так называемая «отрицательная запрещенная зона». Так как в данном случае внешний электронный уровень не заполнен полностью, то электроны могут свободно перемещаться между атомами. Это определяет хорошую проводимость металлов.