Общие сведения. В отличие от металлических проводников, сопротивление полупроводников уменьшается ростом температуры

 

В отличие от металлических проводников, сопротивление полупроводников уменьшается ростом температуры. Это объясняется современной физикой твердого тела, где обосновано, что в твердом теле энергетические уровни отдельных атомов объединяются в систему близко расположенных уровней, называемых разрешенными энергетическими зонами. Разрешенные зоны разделены запрещенными зонами ─ интервалами энергии, которой не могут обладать электроны в данном кристалле.

В полупроводнике при температуре 0 К все зоны, в которых имеются электроны, полностью заполнены, и он является диэлектриком. При повышении температуры некоторые электроны в зоне, заполненной валентными электронами (валентная зона), могут получить избыточную энергию , достаточную для перехода через запрещенную зону в зону проводимости. Энергия называется энергией активации. Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости ведет к образованию в валентной зоне вакантного места, соответствующего положительному заряду и получившего название дырка. Химически чистые, беспримесные полупроводники называются собственными, концентрации электронов и дырок в них одинаковы.

На рисунке 1 приведена диаграмма энергетических зон собственного полупроводника. Электрические свойства полупроводников обусловлены валентными электронами в валентной зоне V, которая отделена запрещенной зоной Z от следующей разрешенной зоны C, называемой зоной проводимости. Ширина запрещенной зоны Z у полупроводников составляет примерно 1 эВ.

Рисунок 1 Диаграмма энергетических зон для собственного

полупроводника: С – зона проводимости; Z – запрещенная зона;

V – валентная зона; W_C - минимальная энергия электрона в зоне проводимости; W_F - уровень Ферми; W_V – максимальная энергия электронов в валентной зоне; W_a – энергия активации

 

В собственных полупроводниках концентрация электронов в зоне проводимости и соответственно дырок в валентной зоне определяется формулой:

, (1)

где - собственная концентрация носителей заряда; - энергия Ферми (уровень Ферми) для данного полупроводника; Т – абсолютная температура; - постоянная Больцмана, .

Уровень Ферми в собственных полупроводниках расположен в середине запрещенной зоны, разделяющей валентную зону и зону проводимости, т. е.:

. (2)

Подставив (2) в (1), получим концентрацию носителей заряда:

. (3)

При помещении полупроводника в электрическое поле в нем появляется электрический ток, образованный движением электронов, попавших в зону проводимости, и дырок, имеющихся в валентной зоне. Плотность тока зависит от концентрации электронов и дырок , величины их заряда и средней скорости их направленного движения и определяется формулой:

, (4)

где индексы и относятся соответственно к электронам и дыркам. Так как в собственных полупроводниках концентрации и , то (4) можно переписать:

. (5)

Плотность тока связана с удельной электропроводностью законом Ома в дифференциальной форме:

 

(6)

где r - удельное электрическое сопротивление; - напряженность электрического поля.

Обозначим удельную электропроводность при температуре 0 К,:

. (7)

Из выражений (5), (6) и (7) найдем что:

. (8)

Увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры является их характерной особенностью. С точки зрения зонной теории это обстоятельство объясняется так: с повышением температуры растет число электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости, соответственно растет и число дырок, что увеличивает концентрацию заряженных частиц, участвующих в создании электрического тока.