Собственные полупроводники

Химически чистые полупроводники называются собственными полупроводниками. Типичными их представителями, имеющими широкое применение в технике, являются германий и кремний. В изолированных атомах этих элементов на внешней оболочке находятся четыре валентных электрона. В кристаллической решетке эти электроны вступают в ковалентные химические связи с другими атомами, так что при Т=0 К свободных электронов в кристалле нет. В зонной структуре такого полупроводника валентная зона укомплектована полностью, а зона проводимости, расположенная над валентной зоной на расстоянии E_g, является свободной. Поэтому при Т=0 К собственные полупроводники, как и диэлектрики, обладают нулевой проводимостью.

С повышением температуры ковалентные связи в германии и кремнии могут достаточно легко разрываться (рис.6, а). При этом будут образовываться свободные электроны и незаполненные связи, так называемые "дырки". Дырка ведет себя как положительный заряд, равный по величине заряду электрона. На освободившееся от электрона место может переместиться соседний электрон, а это равносильно тому, что переместилась дырка.

С точки зрения зонной теории разрыв связей электронов с атомами означает переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости, что приводит к появлению в зоне проводимости свободных электронов, а в валентной зоне - свободных уровней (рис.6, б). Благодаря им, электроны в валентной зоне могут перераспределяться по скоростям (энергиям), что равносильно перераспределению дырок, т.е. их движению.

а) б)

Рис.6

При этом концентрация электронов в зоне проводимости равна концентрации дырок в валентной зоне. При приложении к кристаллу внешнего электрического поля в нем возникает направленное движение электронов в зоне проводимости и в валентной зоне, приводящее к появлению электрического тока. Кристалл становится проводящим. Перемещение электрона в валентной зоне против сил поля эквивалентно перемещению дырки по полю. Поэтому принято считать, что ток в собственном полупроводнике обусловлен движением электронов в зоне проводимости и дырок - в валентной зоне.Проводимость таких кристаллов сильно зависит от ширины запрещенной зоны и температуры. Чем уже запрещенная зона и выше температура полупроводника, тем больше электронов переходит в зону проводимости и тем большую электропроводность приобретает кристалл.

Таким образом, проводимость полупроводников является возбужденной:она появляется под действием внешнего фактора. Такими факторами могут быть не только нагревание, но и облучение полупроводников светом или ионизирующим излучением.

Минимальная энергия Eg, которую необходимо сообщить электронам валентной зоны для переброса их в зону проводимости, называется энергией активации собственной проводимости.