Собственная электропроводность полупроводниковых материалов

Особенности полупроводниковых материалов

Полупроводниковые приборы, обладающие рядом свойств, которые делают их применение предпочтительным , все более широко используются в электронной технике.

К полупроводникам относят многие химические элементы, такие как кремний, германий, индий, фосфор и др., большинство оксидов, селенидов и теллуридов, некоторые сплавы, ряд минералов .Полупроводники бывают кристаллические, аморфные и жидкие. Обычно к ним относят вещества, по удельной электрической проводимости занимающие промежуточное положение между металлами и диэлектриками (отсюда происхождение их названия). При комнатной температуре удельная электрическая проводимость их составляет от 10^-8 до 10⁵ См/м (для металлов – 10⁶-10⁸ См/м, для диэлектриков – 10^-8-10^-13 См/м).

Основная особенность полупроводников – возрастание удельной электрической проводимости при повышении температуры (для металлов она падает). Электропроводность полупроводников зависит от внешних воздействий: нагревания, облучения, электрического и магнитного полей, давления, ускорения, а также от содержания даже незначительного количества примесей.

Собственная электропроводность полупроводниковых материалов

Для того, чтобы вещество обладало электропроводностью, оно должно содержать свободные носители заряда. Такими носителями заряда в металлах являются электроны, а в полупроводниках –электроны и дырки.

Рассмотрим электропроводность собственных полупроводников, т.е. таких веществ, в которых не содержатся примеси и нет структурных дефектов кристаллической решетки (пустых узлов, сдвигов решетки и др.) При температуре 0 К в таком полупроводнике свободных носителей заряда нет. Однако с повышением температуры (или при другом энергетическом воздействии, например, при освещении) часть ковалентных связей может быть разорвана и валентные электроны, став свободными, могут уйти из своего атома .

Потеря электрона превращает атом в положительный ион. В связях на том месте, где раньше был электрон, появляется свободное («вакантное») место – дырка. Заряд дырки положительный и по абсолютному значению равен заряду электрона.

Свободное место – дырку - может заполнить валентный электрон соседнего атома, на месте которого в ковалентной связи образуется новая дырка, и т.д. Таким образом, одновременно с перемещением валентных электронов будут перемещаться и дырки. Если электрическое поле отсутствует, электроны проводимости совершают хаотическое тепловое движение. Если полупроводник поместить во внешнее электрическое поле, то электроны и дырки, продолжая участвовать в хаотическом тепловом движении, начнут перемещаться (дрейфовать) под воздействием поля, что и создаст электрический ток. При этом электроны перемещаются против направления электрического поля, а дырки, как положительные заряды, - по направлению поля. Электропроводность собственного полупроводника, возникающая за счет нарушения ковалентных связей, называется собственной электропроводностью.

Процесс образования пары «электрон проводимости – дырка проводимости» называется генерацией пары носителей заряда. Образовавшиеся электронно-дырочные пары могут исчезнуть, если дырка заполняется электроном . Электрон станет несвободным и потеряет возможность перемещения, а избыточный положительный заряд иона атома окажется нейтрализованным. При этом одновременно исчезают и дырка, и электрон. Процесс воссоединения электрона и дырки называется рекомбинацией. При постоянной температуре (и в отсутствие других внешних воздействий) кристалл находится в состоянии равновесия: число генерированных пар носителей заряда равно числу рекомбинированных пар.