Различают собственную и примесную проводимость полупроводников. При собственной проводимости плотность тока определяется выражением
, (1)
где - концентрация электронов и дырок в собственном полупроводнике, <ve> и <vp > - их средние скорости упорядоченного движения.
Используя закон Ома в дифференциальной форме
, (2)
получим формулу удельной электропроводности собственного полупроводника
(3)
В полученном выражении и представляют собой среднюю скорость упорядоченного движения электронов и дырок при единичной напряженности электрического поля и называются подвижностью носителей.
Удельная электропроводность примесных полупроводников, обусловленная как собственными, так и примесными носителями (например, электронами), определяется выражением
(4)
Из уравнений (3) и (4) следует, что температурная зависимость электропроводности полупроводников определяется зависимостью от температуры концентрации собственных и примесных носителей и их подвижностью.
Подвижность свободных носителей в кристалле определяется их рассеянием на неоднородностях кристаллической решетки. При низких температурах преобладает рассеяние на ионизированных примесных атомах. Рассеяние состоит в том, что ионы примеси отклоняют электроны, проходящие вблизи них, и тем самым уменьшают скорость их упорядоченного движения. Согласно расчетам при низких температурах
|
|
~ T3/2 .
При высоких температурах основное значение имеет рассеяние электронов и дырок на тепловых колебаниях решетки, зависимость подвижности от температуры имеет вид
~ T-3/2. График зависимости показан на рис.1.
В собственных и слабо легированных полупроводниках электронный и дырочный газ является невырожденным и его концентрация весьма резко зависит от температуры. Согласно расчетам температурная зависимость концентрации носителей заряда для собственных и примесных полупроводников выражается формулами
Рис. 1.
, (5)
, (6)
где С1 и С2 – константы слабо зависящие от температуры, Еg – энергия активации собственных носителей, ЕD – энергия активации донорной, либо акцепторной примеси. Таким образом, концентрация собственных и примесных носителей растет с повышением температуры по экспоненциальному закону. Если по оси абсцисс отложить 1/Т, а по оси ординат ln n, то эта зависимость будет иметь вид ломаной линии (рис.2).
Рис.2. Рис.3
Область АВ соответствует низким температурам. При этих температурах происходит постепенное возбуждение примесных носителей: электронов в полупроводниках с донорной примесью и дырок в полупроводниках с акцепторной примесью. При достижении температуры Тs все примесные атомы ионизируются и наступает истощение примесных носителей. Их концентрация становится равной концентрации примесей и, следовательно, не зависит от температуры (участок ВС). Температура истощения примеси тем выше, чем больше энергия активации примеси и ее концентрация. При дальнейшем повышении температуры начинается интенсивное возбуждение собственных носителей (участок СД). Температура перехода к собственной проводимости Тi тем выше, чем больше ширина запрещенной зоны Еg.
|
|
Проанализируем теперь температурную зависимость электропроводности полупроводников, исходя из зависимости от температуры концентрации носителей и их подвижности. Схематически кривая зависимости от 1/Т представлена на рис.3.
Низкотемпературная область АВ отвечает примесной проводимости полупроводника, возникающей вследствие ионизации примесных атомов и появления примесных носителей. Подвижность носителей при этих температурах определяется рассеянием на ионизированных атомах примеси. В первом приближении этой зависимостью по сравнению с экспоненциальной можно пренебречь, считая что
, (7)
где
Логарифмируя (7), получим уравнение, описывающее прямую АВ
. (8)
Тангенс угла наклона прямой АВ к оси абсцисс равен
. (9)
Таким образом, по графику зависимости можно определить энергию активации примесных носителей ЕD или ЕА.
Область ВС простирается от температуры истощения примесных носителей TS до температуры перехода к собственной проводимости Тi. В этой области все примесные атомы ионизированы, но еще не происходит заметного возбуждения собственных носителей, вследствие чего концентрация носителей сохраняется постоянной. Поэтому, температурная зависимость проводимости полупроводника в этой области определяется температурной зависимостью подвижности носителей. Если основным механизмом рассеяния носителей в рассматриваемой области является рассеяние на тепловых колебаниях решетки, для которого характерно уменьшение подвижности с ростом температуры, то проводимость на этом участке будет падать (рис.3). Если же основным механизмом окажется рассеяние на ионизированных примесях, то подвижность, а следовательно, и проводимость в области ВС будет увеличиваться с ростом температуры.
Область СD соответствует переходу к собственной проводимости. В этом случае зависимостью подвижности от температуры по сравнению с экспоненциальной зависимостью концентрации можно пренебречь, представив выражение (3) в виде
, (10)
где .
Графиком этой зависимости является прямая, образующая угол с осью абсцисс, тангенс которого пропорционален ширине запрещенной зоны
. (11)
Резкая зависимость сопротивления полупроводников от температуры используется для устройства термосопротивлений.