Власна провідність напівпровідників

Напівпровідники при Т= 0 К характеризуються повністю зайнятою електронами валентною зоною, відокремленою від зони провідності порівняно вузькою забороненою зоною.

У природі напівпровідники існують у вигляді хімічних елементів (елементи , , груп), наприклад, , , , , , i хімічних сполук (оксиди, сульфіди, селеніди, сплави елементів різних груп).

Розрізняють власні і домішкові напівпровідники. Власними напівпровідниками є хімічно чисті напівпровідники, їх провідність називається власною провідністю.

На рис. 6.3 наведена спрощена схема зонної структури власного напівпровідника ( – верхній енергетичний рівень валентної зони; – нижній енергетичний рівень зони провідності). При Т =0 К валентна зона власного напівпровідника укомплектована повністю електронами, а зона провідності, яка розміщена над валентною зоною на відстані , є незаповненою.

Отже, при T= 0 К і за відсутності інших зовнішніх факторів власні напівпровідники ведуть себе як діелектрики. При підвищенні температури електрони з верх­ніх рівнів валентної зони можуть переходити на нижні рівні зони провідності (рис. 6.4). При накладанні на кристал електричного поля електрони рухаються в зоні провідності проти поля і створюють електричний струм.

Провідність власних напівпровідників, яка зумовлена електронами, називається електронною провідністю або провідністю n – типу.

Внаслідок теплових переходів електронів із валентної зони в зону провідності у валентній зоні виникають вакантні стани, які називаються дірками. У зовнішньому електричному полі на місце, яке звільнилось від електрона – дірку може переміститися електрон із сусіднього рівня, а дірка появиться в тому місці, яке звільнив електрон і т.д. Такий процес рівнозначний переміщенню дірки в напрямку, протилежному до руху електрона.

Провідність власних напівпровідників, зумовлена дірками, називається дірковою провідністю або провідністю р–типу.

Число електронів в зоні провідності дорівнює числу дірок у валентній зоні, тобто .

У власних напівпровідниках спостерігаються два механізми провідності – електронна і діркова.

Провідність напівпровідників завжди є збудженою, тобто появляється лише під дією зовнішніх факторів (температури, опромінювання, сильних електричних полів і т.д.).

Концентрацію електронів у зоні провідності і концентрацію дірок у валентній зоні для власного напівпровідника можна розрахувати за формулою [1]:

. (6.1)

де і – ефективна маса електрона і дірки, відповідно.

Звідси видно, що концентрація носіїв струму у власному напівпровіднику визначається шириною забороненої зони і температурою напівпровідника T.

Внаслідок наявності у власному напівпровіднику двох типів носіїв струму– електронів і дірок, його питома електропровідність складається з провідності , яка обумовлена наявністю вільних електронів, що мають рухливість , і провідності , яка обумовлена наявністю дірок, що мають рухливість . Повна питома провідність власного напівпровідника дорівнює [1]

. (6.2)

Розрахунок значень рухливостей і показує, що

і .

Тоді

. (6.3)

З цього виразу видно, що при , , тобто визначає питому провідність напівпровідника при .

У напівпровідниках поряд з процесом генерації електронів і дірок відбувається і процес рекомбінації: електрони переходять із зони провідності у валентну зону, віддаючи енергію ґратці або випускаючи кванти електромагнітного випромінювання. В результаті для кожної температури у власному напівпровіднику встановлюється певна рівноважна концентрація електронів і дірок.