Электропроводность полупроводников
В общем случае удельная электропроводность определяется как электронами, так и дырками:
. (1)
Электронная составляющая проводимости определяется первым слагаемым в формуле (1), второе слагаемое связано с дырочной проводимостью полупроводника.
Величина удельной проводимости полупроводника и ее температурная зависимость зависят от концентраций носителей (электронов и дырок) и их подвижностей, которые в свою очередь определяются типом полупроводника.
Электропроводность собственных полупроводников
Рассмотрим собственный полупроводник. Пусть ширина запрещенной зоны его равна g, а Еc есть энергия наинизшего уровня зоны проводимости и Еv - энергия наивысшего уровня валентной зоны (рис. 1).
Для участия в электрическом токе электрон должен перейти из валентной зоны полупроводника в зону проводимости.
Для этого электрон должен приобрести некоторую энергию, называемую энергией ионизации. Очевидно, что энергия ионизации равна ширине запрещенной зоны, т. е. g=Еc - Еv . Эта энергия может быть сообщена электрону за счет теплового движения.
В собственном полупроводнике концентрации электронов и дырок одинаковы (n = p = ni = pi, где ni и pi - собственные концентрации носителей). Тогда удельная электропроводность i собственного полупроводника будет равна
(2)
Электропроводность собственного полупроводника называют собственной электропроводимостью и обозначают обычно σ.
Концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике определяется выражением (3).
(3)
Логарифмируя это выражение, получим
(4)
Первое слагаемое в этом выражении слабо зависит от температуры, поэтому график зависимости ln от 1/T представляет собой прямую линию (рис. 2).
Рис. 2. Температурная зависимость концентрации носителей заряда в собственном полупроводнике |
Таким образом, концентрация носителей заряда в собственных полупроводниках зависит от ширины запрещенной зоны Eg и температуры Т. Для германия, например, Eg = 0,72 эВ (при T = 300 K) и концентрация собственных носителей заряда при комнатной температуре составляет приблизительно 2,51019 м-3. Для кремния соответственно Eg = 1,1 эВ и ni = 1,5 1016 м-3.
Другим фактором, влияющим на температурную зависимость электросопротивления собственных полупроводников, является подвижность носителей заряда. Температурная зависимость подвижности носителей заряда в полупроводниках определяется механизмами рассеяния носителей в кристалле. В идеальном полупроводнике с собственной проводимостью подвижность определяется рассеянием на тепловых колебаниях решетки (фононах), поскольку идеальный собственный полупроводник - это полупроводник без примесных атомов и рассеяние на примесных атомах отсутствует. При анализе температурной зависимости подвижности необходимо учитывать, является ли газ носителей невырожденным или вырожденным при данных условиях. Теоретические расчеты и оценки температурной зависимости подвижности носителей заряда в кристаллах при различных условиях схематически представлены на рис. 3.
В области высоких температур подвижность обратно пропорциональна Т3/2 для невырожденного газа носителей и обратно пропорциональна Т для вырожденного газа носителей. В области низких температур подвижность невырожденного газа носителей пропорциональна Т3/2 и не зависит от температуры для вырожденного газа носителей. В любом случае степенная зависимость от температуры подвижности носителей значительно слабее экспоненциальной температурной зависимости концентрации носителей заряда в собственных полупроводниках.
Рис. 3. Температурные зависимости подвижности невырожденного и вырожденного газа носителей |
Вследствие этого температурную зависимость удельной электропроводности собственных полупроводников согласно выражению (2) в первом приближении можно представить в виде
(5)
где 0 - значение удельной электропроводности полупроводника при T
Логарифмируя последнее равенство, получим
(6)
Таким образом, график зависимости ln от 1/Т представляет собой прямую линию, тангенс угла наклона которой к оси абсцисс пропорционален ширине запрещенной зоны. Это обстоятельство позволяет использовать данные по температурной зависимости электропроводности для нахождения ширины запрещенной зоны полупроводников.