Проводимость чистых полупроводников

В качестве полупроводниковых материалов наибольшее распространение получили германий (Ge) и кремний (Si). К полупроводниковым материалам принято относить чистые монокристаллы (примесь не более 10^-12 %), элементы 4-й группы периодической системы, имеющие на внешней электрической оболочке 4 валентных электрона. В твердом теле эти электроны вступают в ковалентные связи с электронами соседних атомов. Образование такой связи можно показать условно (рис.1.4.). Центральный атом как бы дополняет свою внешнюю оболочку до 8, и образуется полностью заполненный валентный уровень. При условном изображении кристаллической решетки чистого полупроводника каждая ковалентная связь представляет собой две параллельные линии, каждая линия соответствует одному электрону связи (рис.1.5.).

Электроны внутренних энергетических оболочек не участвуют в механизме электропроводности, поэтому их можно не рассматривать.

При абсолютном нуле все энергетические уровни в валентной зоне заняты электронами, зона проводимости пуста, т.е. каждый электрон в кристалле связан с соответствующими атомами, находящимися в узлах кристаллической решетки и не может участвовать в переносе заряда. Поэтому собственный полупроводник при абсолютном нуле ведет себя как диэлектрик.

При сообщении полупроводниковому материалу некоторого дополнительного количества энергии (за счет нагревания, излучения или других факторов) электроны, получившие добавочную энергию, переходят на энергетические уровни зоны проводимости, разрывая ковалентную связь, и могут передвигаться в объеме полупроводника под действием электрического поля. Такие электроны принято называть свободными. На месте нарушенных связей возникают некомпенсированные положительные заряды (свободные энергетические уровни в валентной зоне), равные по величине заряду электронов. Т.о. происходит ионизация двух соседних атомов. Положительные заряды получили название дырок. Процесс возникновения пары электрон-дырка получил название процесс генерации пары. На зонной диаграмме этот процесс соответствует появлению электронов в зоне проводимости и одновременному появлению свободных уровней (дырок) в зоне валентности. Время существования пары электрон-дырка называют временем жизни.

Возникающий вакантный энергетический уровень может быть занят валентными электронами соседних атомов без сообщения им дополнительного количества энергии. Дырка при отсутствии внешнего электрического поля хаотически движется в материале полупроводника, постоянно заполняясь электронами соседних атомов. При воздействии внешнего электрического поля дырка осуществляет направленной движение, при этом ведет себя как частица, имеющая положительный заряд равный по величине заряду электрона. При попадании свободного электрона и дырки в единый микрообъем электрон, отдав избыточную энергию, может занять вакантный энергетический уровень. При этом пара электрон-дырка исчезает. Этот процесс называют рекомбинацией пары электрон-дырка.

При установившейся температуре процессы рекомбинации и генерации находятся в динамическом равновесии, т.е. количество возникающих пар равно количеству уничтожающихся пар. Увеличение температуры интенсифицирует процессы рекомбинации и генерации. Динамическое равновесие устанавливается соответствующим большему значению концентрации свободных носителей.