Електропровідність власних напівпровідників
Хімічно чисті напівпровідники називають власними напівпровідниками. До них відносять ряд чистих хімічних елементів (германій, кремній, селен, телур та ін.) І багато хімічних сполук, такі, наприклад, як арсенід галію (GaAs), арсенід індію (InAs), антимонід індію (InSb), карбід кремнію ( SiC) і т.д. Напівпровідники мають кристалічну решітку типу алмаза, яка складається з безлічі однакових тетраедрів.
При утворенні кристала напівпровідника кожен атом, перебуваючи у вузлі кристалічної решітки, створює зв'язку з чотирма сусідніми атомами. Кожна зв'язок утворюється парою валентних електронів (одним - від даного атома і іншим - від сусіднього) і називається ковалентним. Обидва електрона ковалентного зв'язку в кристалі обертаються по орбіті, яка охоплює обидва атома. Електрони пов'язують атоми і утримуються в зв'язку з цим силами тяжіння до ядер цих атомів.
Мал. 1.3. Схематична площинна модель частини кристалічної решітки кремнію або германію (а) і її об'ємна структура (б)
При відсутності домішок і температурі абсолютного нуля Т = 0 До в кристалі напівпровідника все валентні електрони перебувають в ковалентних зв'язках атомів, так що вільних електронів немає. В цьому випадку кристал не може проводити електричний струм і є ідеальним діелектриком.
Мал. 1.4. Генерація пар «вільний електрон - дірка» в результаті руйнування ковалентного зв'язку (а) і переміщення дірки в кристалі (б)
При температурі вище абсолютного нуля атоми кристала під впливом теплової енергії здійснюють коливання біля вузлів кристалічної решітки. Амплітуда цих коливань тим більше, чим вище температура кристала. Ті електрони ковалентних зв'язків, які отримують теплову енергію, рівну ширині забороненої зони або перевищує її, відриваються і йдуть з зв'язків. Вони стають вільними (рис. 1.4, а) і можуть переміщатися всередині кристала, створюючи електричний струм. Вільний електрон є рухомим носієм негативного заряду. При цьому йому буде відповідати енергетичний стан, яке знаходиться в зоні провідності.
На місці, звідки пішов електрон, умова електронейтральності порушується, і виникає позитивно заряджена вакансія електрона, яку прийнято називати діркою (позитивний заряд обумовлений не компенсувати зарядом ядра). Цією позитивно зарядженої дірки на енергетичній діаграмі відповідає вільне енергетичний стан, що утворилося в валентної зоні після відходу електрона (у стелі валентної зони). У електронів валентної зони з'явилася можливість зайняти це стан, при цьому, в міру того як валентні електрони займають відповідне дірці вакантне стан, дірка в енергетичній зоні переміщується від стелі валентної зони до її дну.
В координатному просторі розглянутому процесу відповідає перехід на місце дірки електрона з сусідньої ковалентного зв'язку (при цьому дірка виявляється в іншому місці). Переміщення позитивно зарядженої дірки супроводжується виникненням струму. Таким чином, в кристалі крім електронів в перенесенні заряду можуть брати участь позитивно заряджені дірки (див. Рис. 1.4), тобто дірку можна розглядати як частку, що є рухомим носієм позитивного заряду. Напрямок руху дірки в електричному поле протилежне напрямку руху електрона.
Вільні електрони рухаються в просторі між вузлами кристалічної решітки, а дірки - по нековалентним зв'язків, тому рухливість негативних носіїв заряду більше, ніж позитивних.
Процес утворення пари «вільний електрон - дірка» називають генерацією пари носіїв заряду. Для досконалого, що не має домішок і дефектів, кристала концентрація електронів (ni) буде дорівнює концентрації дірок (pi). Це власна концентрація носіїв заряду: ni = pi. Індекс i означає концентрацію носіїв для власного напівпровідника (intrinsic - власний).
Концентрація рухливих носіїв заряду залежить від температури кристала і ширини забороненої зони: концентрація носіїв заряду зростає з підвищенням температури і зменшенням ширини забороненої зони. Отже, питома електрична провідність напівпровідника, пропорційна концентрації носіїв заряду, також збільшується з підвищенням температури, а її значення більше в напівпровідниках з меншим значенням ширини забороняє зони (? Wз).
Мал. 1.5. Енергетична діаграма, ілюструю-щая власну електропровідність напівпровідника при руйнуванні ковалентного зв'язку
Вільний електрон, здійснюючи хаотичний рух, може заповнити дірку в ковалентного зв'язку. Тоді розірвана ковалентний зв'язок відновлюється, а пара носіїв заряду (електрон і дірка) зникає, тобто відбувається рекомбінація носітелейзаряда протилежних знаків. Цей процес супроводжується виділенням надлишкової енергії у вигляді тепла або світла. На енергетичної діаграмі (рис. 1.5) рекомбінація відповідає переходу електрона із зони провідності на вакантний рівень в валентної зоні.
Обидва процеси - генерація пар носіїв заряду і їх рекомбінація - в будь-якому обсязі напівпровідника відбуваються одночасно. Відповідна концентрація носіїв заряду встановлюється з умови динамічної рівноваги, при якому число знову виникаючих носіїв заряду дорівнює числу рекомбінуючих. Проміжок часу між моментом генерації носія заряду і його рекомбінацією називають часом життя вільного електрона або дірки, а пройдена носієм заряду за час життя відстань - довжиною вільного пробігу. З огляду на, що час життя окремих носіїв заряду по-різному, під цими термінами розуміють середній час життя і середню довжину вільного пробігу.
Рухливі носії заряду обумовлюють електропровідність напівпровідника. При відсутності електричного поля носії заряду рухаються хаотично. Під дією електричного поля електрони і дірки, продовжуючи брати участь в хаотичному тепловому русі, зміщуються вздовж поля: електрони - в сторону позитивного потенціалу, дірки - в бік негативного. Направлений рух обох видів носіїв заряду створює електричний струм в кристалі, який має дві складові - електронну та діркову.
Електропровідність напівпровідника, обумовлену рівною кількістю електронів і дірок, що з'являються внаслідок руйнування ковалентних зв'язків, називають власної електропровідністю.
Схожі записи:-
None Found