2.5. Електричний струм в напівпровідниках

План лекції

2.5.1. Будова і електричні властивості напівпровідників

2.5.2. Власна і домішкова провідність напівпровідників

2.5.3. Електронно-дірковий перехід

2.5.1. Будова й електричні властивості напівпровідників

До напівпровідників належать: деякі метали (сіре олово), оксиди металів, сульфіди (сполуки сірки), селеніди (сполуки селену), телуриди, деякі сплави тощо. Значна частина напівпровідників має кристалічну будову. Особливістю напівпровідників є виражена ширина забороненої зони (більше ), завдяки якій при температурах близьких до Т = 0 К в зоні провідності електронів немає і вони поводять себе як діелектрики.

Рис. 2.10. Будова германія

Усі напівпровідники поділяють на три великі групи.

1. Атомні напівпровідники (мають атомну кристалічну решітку) - бор, кремній, фосфор, сірка, германій, селен, цирконій, сіре олово та ін. Ці елементи належать до IV, V, VI груп періодичної системи елементів Менделєєва і становлять компактну групу, вліво від якої-розміщені елементи з вираженими металевими властивостями, впра­во - з металоїдними;

2. напівпровідники з іонною кристалічною решіткою, в якій атоми зв'язані кулонівськими силами, наприклад CdS, РbS;

3. напівпровідникові сполуки з валентними зв'язками, в яких атоми утворюють кристали типу однієї гігантської молекули (карбід кремнію, антимонід індію, арсенід галію та ін.).

Типовими .напівпровідниками є германій (Ge), кремній (Sі). Розглянемо докладніше герма­ній. Він належить до IV періоду і IV групи періодичної системи елемен­тів. В електронній оболонці його є 32 електрони. Електрони вну­трішніх насичених шарів не беруть участі в хімічних реакціях. Чотири електрони в зовнішньому шарі N зв'язані з ядром атома слабко (ва­лентні електрони) і можуть вступати в хімічні зв'язки з іншими атомами. У найпростішому випадку такий зв'язок здійснюється двома валентними електронами, які належать обом атомам, що взаємодіють. Зв'язки можуть утворюватися і двома або трьома парами електронів. Такий, хімічний парноелектронний зв'язок атомів називається ковалентним. Коли з окремих атомів германію утворюється кристалічна решітка, то в процесі зближення атомів кожний валентний електрон замість того, щоб обертатись навколо свого ядра, починає обертатися навколо двох ядер - свого й сусіднього. Атоми германію утворюють кубічну решітку, в якій кожний атом зв'язаний парноелектронними зв'язками з чотирма найближчими атомами. Так, зовнішні орбіти кожного атома доповнюються до восьми електронів і утворюється найбільш стійкий стан. На рис. 2.10 зображено плоску діаграму парноелектронного зв'язку. В атомі кремнію 14 електронів, з них 4 - валентні, які взаємодіють з іншими атомами так само, як і в германії.

Електричні властивості напівпровідників залежать від освітленості, дії зовнішніх полів, температури, домішок тощо.

При Т К напівпровідники є ізоляторами, а при високих температурах їх електропровідність наближається до провідності ме­талів. З підвищенням температури електропровідність напівпровідни­ків зростає, тоді як у металів вона зменшується.

Для пояснення механізму електро­провідності напівпровідників скорис­таємось зонною теорією твердих тіл. Порівняємо енергетичні спектри елек­тронів у металах, напівпровідниках та ізоляторах при Т К (рис. 2.11).

а б в

Рис. 2.11. Енергетичні спектри електронів у: а - металів, б – напівпровідників, в - діелектриків

У металах заповнена зона і зона про­відності стикаються (або навіть пере­криваються), а в напівпровідниках між заповненою (валентною) зоною і зо­ною провідності “вклинюється” забо­ронена зона шириною від 0,5 до 2 еВ; для ізоляторів ширина забороне­ної зони понад 2 еВ.

Під впливом електричного поля валентні електрони металу переходять на вищі енергетичні рівні зони про­відності і в металі виникає електричний струм, чого не буває в напівпровідниках, бо заборонена зона накладає своє “вето” на ва­лентні електрони і при Т К напівпровідник - звичайний ді­електрик. Щоб напівпровідник став електропровідним, треба частину електронів перевести з валентної зони в зону провідності. Для цього потрібна додаткова енергія.