Собственные (чистые) полупроводники

Собственные полупроводники – химически чистые полупроводники (без примесей), - Ge, Se и соединения GaAs, CdS и др.

Рассмотрим модель идеального абсолютно чистого бездефектного полу-проводникового кристалла, например германия, при 0 К (рис. а).

Германий принадлежит к IV группе периодической системы Д.И.Менделеева. На его внешней оболочке находятся 4 валентных электрона, обеспечивающие парноэлектронные (ковалентные) связи ионов в узлах кристаллической решётки. Валентная зона заполнена. В зоне проводимости электроны отсутствуют (рис. а). За счет энергии электрического поля их переброс туда не возможен

При нагреве, растёт энергия колебательного движения ионов в узлах решетки, и, получив в результате столкновения квант энергии, электроны приобретают возможность перескочить в зону проводимости (рис б).

Эти электроны обусловят электронную проводимость данного полупроводника. Кроме того, в валентной зоне появятся вакантные места, на которые могут переходить другие валентные электроны, связанные в пространстве с другими, соседними атомами. В результате вакансия приобретает возможность перемещаться в пространстве, подобно положительно заряженной частице. Такую квазичастицу назвали «дыркой». Дырки наравне с электронами участвуют в электропроводности полупроводниковых кристаллов, однако, обладают меньшей подвижностью.

 

Концентрация электронов собственной проводимости и дырок в чистом полупроводниковом кристалле одинакова, поскольку образуются они парами.

В чистых полупроводниках носителями тока являются:

· отрицательно заряженные электроны п ( от слова «негатив» );

· положительно заряженные дырки р (от слова «позитив» );

· количество электронов равно количеству дырок

N_n = N_p;

· дырки движутся вниз в валентной зоне, электроны – вверх в валентной зоне и в зоне провдимости.

В собственных полупроводниках уровень Ферми находится посередине запретной зоны (рис).

Для переброса электрона валентной зоны в зону проводимости затрачивается энергия активации , равная ширине запрещенной зоны. ( идет на переход электрона в зону проводимости и - на образование дырки).

 

Зависимость проводимости собственных полупроводников

От температуры

Электрические свойства полупроводников определяются как концентрацией носителей тока, так и характером их взаимодействия с атомами кристаллической решетки. Изменение концентрации носителей тока при изменении температуры при этом имеет более резкую зависимость, которая в основном и определяет проводимость полупроводника.

Удельная проводимость чистых полупроводников

- const для данного полупроводника

Зависимость ln от 1/Т линейная и по её наклону можно экспериментально определить ширину запрещённой зоны

Экспериментальным путем установлено, что сопротивление полупроводников с повышением температуры уменьшается приблизительно по экспоненте:

где ΔЕ - энергия активации;

k – постоянная Больцмана, равняется 1,38·10^-23 Дж/К;

Т – абсолютная температура;

А – коэффициент, постоянный для данного вещества.