Собственная проводимость полупроводника

Полупроводники обязаны своим названием тому обстоятельству, что по величине электропроводности они занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами. Их проводимость растёт с повышением температуры (у металлов она уменьшается).

Типичными полупроводниками являются элементы IV группы периодической системы Менделеева — германий и кремний. Они образуют решетку, в которой каждый атом связан ковалентными (парно-электронными) связями с четырьмя равноотстоящими от него соседними атомами. Условно такое взаимное расположение атомов можно представить в виде плоской структуры (см. рисунок). Кружки со знаком Å — обозначают положительно заряженные атомные остатки (без валентных электронов), точками · — валентные электроны, двойные линии ====== — ковалентные связи.

При достаточно высокой температуре тепловое движение может разорвать отдельные пары, освободив один электрон. В покинутом электроном месте (в его окрестности) возникает избыточный положительный заряд +e — называемый дыркой. На это место может перескочить электрон из соседних пар, и дырка образуется в соседней паре. В отсутствии внешнего электрического поля электроны проводимости и дырки движутся хаотически. При включении поля на хаотическое движение накладывается упорядочное движение: электронов — против поля, и дырок — в направлении поля. Возникает электрический ток.

С квантовой точки зрения полупроводниками являются вещества, у которых валентная зона полностью заполнена электронами (при Т=0К). Пустая, не занятая электронами зона называется зоной проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона, ширина которой невелика около 1 эВ. Уровень Ферми проходит посредине запрещенной зоны. При Т>0 электроны, преодолевая потенциальный барьер запрещенной зоны, могут переходить из валентной зоны в зону проводимости. При этом в валентной зоне освобождается некоторые уровни, и возникают дырки (дырка — не занятое электроном энергетическое состояние в валентной зоне). При приложении внешнего поля к полупроводнику электроны в зоне проводимости могут получать дополнительную энергию (перемещаясь по энергетическим уровням кверху) и участвовать в создании электрического тока. Дырки также могут получать дополнительную энергию (перемещаясь по уровням вниз) и тоже участвуют в создании электрического тока. С повышением температуры, число электронов, способных перейти в зону проводимости и число дырок в валентной зоне увеличивается. Приближенно можно считать, что зависимость концентрации электронов и дырок от энергии подчиняется распределению Больцмана: , где DW — ширина запрещенной зоны, n₀ — концентрация электронов в валентной зоне при Т=0 К. С ростом Т концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне увеличивается, что приводит к росту проводимости полупроводника.