Собственная электропроводность

Основные положения электропроводности

Основные полупроводниковые материалы – четырехвалентные кремний (Si) или германий (Ge). Они имеют кристаллическую структуру. Каждый атом кристалла связан ковалентными связями с четырьмя соседями. В чистом, беспримесном полупроводнике при Т=0⁰К все валентные электроны связаны и в зоне проводимости свободных электронов, способных переносить ток, нет. При повышении температуры часть электронов, имеющих энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны, которая отделяет валентную зону от зоны проводимости, отрывается от своего атома и становится свободными, а полупроводник - электропроводным.

Незаполненный, вакантный, энергетический уровень, который остается в валентной зоне после ухода электрона, называется дыркой. Дыркой также называется разорванная ковалентная связь в кристаллической решетке. На вакантное место могут переходить свободные электроны от соседних атомов, создавая дырки в другом месте. Перемещение дырок по кристаллу можно рассматривать как движение положительно заряженных фиктивных частиц.

Электропроводность беспримесного полупроводника, обусловленная парными носителями зарядов (электронами и дырками), называется собственной.

Процесс образования пар электронов и дырок - генерация, сопровождается процессом восстановления разорванных связей - рекомбинацией, когда электрон “захватывается” дыркой, при этом пара носителей исчезает.

Промежуток времени от момента генерации носителя заряда до ее рекомбинации называется временем жизни t_n и t_p, а расстояние, пройденное за время жизни - диффузионной длиной L_n и L_p. Они связаны соотношениями L_n = L_p =, где Dn, Dp – коэффициенты диффузии электронов и дырок.

Концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике зависит от температуры кристалла и ширины запрещенной зоны DW:

(см^-3),

где

N_c » 10²⁰ см ^-3- эффективная плотность состояний в зоне проводимости.

kT - кинетическая энергия частицы.

У германия DW=0.72 эВ, у кремния DW=1.12 эВ. При комнатной температуре Т=293⁰К концентрация электронов проводимости (и дырок) в германии n_i=2.5*10¹³(см^–3), в кремнии n_i=1.4*10¹⁰ (см^--3). Для сравнения, плотность вещества » 10²² (см ^–3). Как видно, концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике мала, хотя с повышением температуры она будет расти.

Кроме тепловой генерации, возникновение новых электронно-дырочных пар может происходить под действием энергии электрического поля, за счет кинетической энергии движущихся частиц (ударная генерация), за счет энергии светового потока - фотонов (световая генерация).