ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Собственная проводимость полупроводников
Полупроводниками называются вещества, которые имеют удельную проводимость между проводимостью диэлектриков γ ~ 
(Ом·м)-1 и проводимостью металлов γ~ 
(Ом·м)-1.
К полупроводникам относятся элементы 4 - 6 групп таблицы Менделеева (германий, кремний, селен и т.д.), их соединения и сплавы.
Таблица 2
| B | C | |||
| Si | P | S | ||
| Ge | As | Se | ||
| Sn | Sb | Te | I |
Полупроводники бывают жидкими. Существуют органические полупроводники.
Полупроводник называется химически чистым, если содержит примеси менее 
процента.
Рассмотрим химически чистый германий. У германия атомная кристаллическая решетка, в узлах которой находятся нейтральные атомы. Германий находится в четвертой группе таблицы химических элементов, поэтому у атома германия четыре валентных электрона.
Пара электронов двух соседних атомов образуют ковалентные связи (рис. 23.1.1).
С точки зрения энергетических диаграмм у полупроводников при температуре 0 К полностью заполнена электронами валентная зона. В свободной зоне электронов нет, т.е. полупроводник является диэлектриком при Т = 0 К.
В соответствии с принципом Паули на каждом энергетическом уровне находится не более двух электронов с противоположно направленными спинами.
Ширина запрещенной зоны полупроводников небольшая:
|
|
|
- порядка 1 эВ. У германия - 
эВ, у кремния - 
эВ.
С ростом температуры электроны, получая энергию, могут переходить на вышележащие энергетические уровни. Энергии теплового движения электронов и энергии электрического поля тока достаточно для перехода электронов из валентной зоны полупроводника в зону проводимости (рис. 23.1.2).
Рис. 23.1.2
При подключении полупроводника к источнику тока в цепи появляется электрическое поле. Свободные электроны в зоне проводимости под действием этого поля движутся противоположно полю (вектору напряженности электрического поля).
Свободные электроны в зоне проводимости образуют электронную проводимость полупроводника.
В валентной зоне на месте ушедшего электрона остается некомпенсированный положительный электрический заряд. С ним связывают квазичастицу – «дырку». Под действием электрического поля электрон с соседнего уровня может перейти на место дырки. Там, откуда электрон ушел, образуется новая дырка. Можно сказать, что дырки движутся по полю.
Дырки в валентной зоне образуют дырочную проводимость полупроводника. Электронная и дырочная проводимости химически чистого полупроводника называются собственной проводимостью полупроводника.
|
|
|
Электрическая проводимость в кристалле пропорциональна концентрации носителей тока (электронов и дырок). Распределение электронов по энергетическим уровням характеризуется функцией Ферми-Дирака
, (23.1.1)
где Е – энергия электрона, Е F – энергия Ферми, k = 1,38∙10-23 Дж/К – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура кристалла.
f(E) – функция Ферми-Дирака, которая определяет вероятность нахождения электрона на энергетическом уровне с энергией Е.
Энергия Ферми в кристалле зависит от концентрации свободных электронов
~ 
.
Значение уровня Ферми в химически чистом полупроводнике, отсчитанное от потолка валентной зоны, приблизительно равно половине ширины запрещенной зоны
.
Отсюда следует что, уровень Ферми находится посередине запрещенной зоны полупроводника. Если энергия электрона, находящегося в зоне проводимости, равна Е, тогда из рисунка видно, что
. (23.1.2)
При невысоких температурах в формуле (23.1.1) единицей в знаменателе можно пренебречь. Учитывая выражение (23.1.2), из формулы (23.1.1) получают
|
|
|
.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 200; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!