4.3.Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников

Как уже было отмечено, к полупроводникам относятся материалы, удельное электрическое сопротивление которых находится в диапазоне от 10^-6 до 10⁸ Ом∙м, а ширина запрещенной зоны составляет величину менее, чем2÷3 эВ. Типичные представители полупроводников, широко используемых в технике:

1. Элементарные полупроводники: кремний Si, германийGe, селенSe, теллурTe.

2. Химические соединения:

а) соединения элементов II и VI групп периодической системы Менделеева (A^II B^VI): сульфиды, селениды, теллуриды металлов, напримерCdS, CdSe, CdTe, ZnS.

б) соединения элементов Ш и V групп (A^III B^V), например, арсенид и фосфид галлия (GaAs, GaР), антимонид индия (InSb).. Наибольшее применение из них имеет арсенид галлияGaAs.

В таблице 4.2 приведены значения шиpины запpещённой зоны некоторых полупроводниковых материалов.

Таблица 4.2.

Полупроводниковый материал	Ширина запрещённой зоны ,эВ
Кремний (Si)	1,12
Германий (Ge)	0,72
Арсенид галлия (GаAs)	1,42
Фосфид галлия (GаP)	2, 26
Арсенид индия (InAs)	0,39
Антимонид индия (InSb)	0,23
Селенид кадмия (CdSe)	1,74
Теллурид кадмия (CdТe)	1,5
Сульфид кадмия (CdS)	2,42
Сульфид свинца (PbS)	0,42

Следует отметить, что наибольшее применение в настоящее время имеет кремний. Из него изготовляют примерно 95% всех полупроводниковых приборов и микросхем.

Кремний, германий, арсенид галлия кристаллизируются в кубических решетках: Si иGe в решетке типа алмаза,GaAs– в решетке типа сфалерита (цинковой обманки).

Электропроводность химически чистых монокристаллических полупроводников называется собственной проводимостью. Рассмотрим возникновение собственной проводимости на примере германия или кремния. На внешней электронной оболочке атомов этих элементов находятся четыре валентных электрона. Эти электроны образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами в решетке.

Двумерная (плоская) модель решетки германия имеет вид, представленный на рисунке 4.9. За счёт энергии теплового движения (под действием температуры) ковалентные связи могут разрываться, электроны становятся свободными и могут перемещаться по кристаллу. С энергетической точки зрения это означает переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис.4.8). Минимальная энергия, необходимая для этого, равна ширине запрещенной зоны . Величинаназываетсяэнергией активации собственной проводимости. Электропроводность полупроводников, обусловленная электронами, называют электронной проводимостью или проводимостьюn-типа.

При переходе электронов в валентной зоне возникают вакантные энергетические уровни, а в том месте кристалла, откуда ушел электрон, возникает избыточный положительный заряд - «дырка». На освобожденное электроном место (дырку) может переместиться другой электрон. Это равносильно перемещению дырки в обратном направлении. Дырки ведут себя как положительные заряды, равные по величине заряду электрона и являются квазичастицами. Электропроводность полупроводников, обусловленная дырками, называют дырочной проводимостью или проводимостью p-типа.

Таким образом, собственная проводимость полупроводников обусловлена двумя типами носителей тока: электронами и дырками. Концентрации электронов и дырок одинаковы.

Обозначим концентрации электронов и дырок в собственном полупроводнике через n_i и p_iсоответственно^_.

Процесс одновременного образования электрона и дырки в кристалле называется генерацией электронно-дырочных пар. Одновременно идёт обратный ему процесс -рекомбинация, приводящий к исчезновению электрона и дырки. В собственном полупроводнике при каждой температуре устанавливается равновесие между процессами генерации и рекомбинации, при котором концентрации электронов и дырок одинаковы:n_i =p_i=n.