Собственная проводимость полупроводников

К полупроводниковым материалам относится большинство минералов, неметаллические элементы IV, V, VI групп периодической системы Менделеева, неорганические соединения (оксиды, сульфиды), некоторые сплавы металлов, органические красители. Примером могут служить кремний, германий. Их кристаллическая решетка представляет собой тетраэдр, по вершинам которого расположены четыре атома, окружающие атом, находящийся в центре тетраэдра. Здесь каждый атом связан с четырьмя ближайшими соседями ковалентной связью, так как каждый из них имеет четыре внешних валентных электрона.

При температурах около абсолютного нуля в идеальном кристалле кремния или германия все ковалентные связи заполнены, а все электроны связаны с атомами и не могут участвовать в процессе электропроводности. Чтобы электрон мог являться носителем электрического тока, нужно затратить некоторую работу для его освобождения из ковалентной связи.

Это происходит при нагревании или освещении кристалла. Инфракрасное и видимое излучение, как известно, представляет собой поток частиц - фотонов, или квантов. Если энергия фотона больше или равна энергии разрыва связи, то электрон может стать свободным и сможет принимать участие в процессе электропроводности. С точки зрения зонной теории происходит переход электронов из заполненной валентной зоны в зону проводимости. При этом вместо ушедшего электрона в кристалле появляется незаполненная связь. Вакансия, называемая «дыркой», может быть занята электроном из другой какой-нибудь связи. Она при этом в ранее заполненной зоне образуется дырка. Таким образом, незаполненная связь или дырка может перемещаться по кристаллу. Эта незаполненная связь эквивалентна положительной частице, двигающейся по кристаллу под действием внешнего электрического поля. Очевидно, что в идеальном кристалле количество дырок будет равно количеству свободных электронов.

С прекращением освещения либо нагревания электропроводность кристалла начнёт уменьшаться, так как электроны, которые освободились, получив дополнительную энергию, будут опять задействованы в связях, т.е. произойдёт рекомбинация электронов и дырок. Этот процесс продолжается в течение тысячных долей секунды или меньше, и кристалл снова перестаёт проводить электрический ток.

Наименьшая энергия, которая необходима для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости, определяет собой величину энергетического интервала между этими двумя зонами, то есть ширину запретной зоны.

В идеальных кристаллах, где количества электронов и дырок равны, проводимость называется собственной. Сопротивление идеальных кристаллов называют собственным сопротивлением полупроводника. Так как удельное сопротивление идеальных кристаллов полупроводников зависит только от температуры, то величина его может служить характеристикой данного полупроводника. Например, для кремния при 300°К собственное удельное сопротивление равно 63600 ом*см (636 ом*м), а для германия при той же температуре 47 ом*см (0.470ом*м).