Собственные
полупроводники
Собственные полупроводники - это полупроводники, электропроводность которых определяется собственными носителями заряда, появившимися в результате перехода носителей под действием температуры из валентной зоны в зону проводимости полупроводника. Механизм собственной проводимости характерен для сверхчистых полупроводниковых материалов, в которых концентрация примесей не превышает 1016...1024 м-3. Однако собственная проводимость наблюдается в полупроводниках также в том случае, когда примеси не оказывают заметного влияния на электропроводность при данной температуре.
Зонная диаграмма собственного полупроводника имеет вид, показанный на рис. 1.24, где Wc - нижний энергетический уровень зоны проводимости (дно зоны проводимости), Wv - верхний энергетический уровень валентной зоны (потолок валентной зоны), DWg=Wc-Wv - ширина запрещенной зоны, значение которой для различных полупроводниковых материалов находится в пределах 0,05...3 эВ.
Вместо
энергии электрона W в ряде случаев
при построении зонных диаграмм пользуются значениями энергетического потенциала j, который определяется из соотношения
, В,
(1.40)
где W - энергия электрона,
эВ; e - заряд электрона, принятый за -1.
В этом
случае, как показано на рис. 1.24, границам
зон соответствуют энергетические потенциалы: jc - энергетический потенциал
дна зоны проводимости и jv - энергетический потенциал
потолка валентной зоны. Ширина запрещенной зоны Djg определяется разностью jc-jv.
Зонные
диаграммы, построенные в координатах
энергетических потенциалов j, удобно использовать при анализе контактных
явлений в полупроводниках (в p-n переходах, переходах типа металл-диэлектрик-полупроводник
и др.), для которых характерно наличие внутренних электрических
полей. При этом значения энергетического потенциала j возрастают в направлении
электрического поля.
Проведем
анализ зонной диаграммы собственного полупроводника,
представленной на рис. 1.24. Как уже отмечалось, в собственном полупроводнике
при Т=0 валентная зона полностью
заполнена электронами, а зона проводимости абсолютно свободна.
В этих условиях полупроводник ведет себя подобно идеальному
диэлектрику, то есть не проводит
электрический ток.
При температуре Т >0 имеется вероятность того, что некоторые из электронов за счет тепловых колебаний решетки преодолевают потенциальный барьер DWg и "окажутся" в зоне проводимости. Такой переход, соответствующий генерации свободных носителей заряда, обозначен на рис. 1.24 стрелкой, направленной вверх. Одновременно в полупроводнике наблюдается процесс рекомбинации носителей заряда, обозначенный на рис. 1.24 стрелкой, направленной вниз. При установившейся температуре полупроводника скорости процессов генерации и рекомбинации равны.
При приложении к полупроводнику внешнего электрического поля Е электроны зоны проводимости переходят на близлежащие свободные уровни энергии в зоне проводимости и принимают участие в процессе электропроводности.
В результате перехода электрона в зону проводимости, в валентной зоне полупроводника остается свободное энергетическое состояние, представляющее дырку. Вследствие этого валентная зона оказывается не полностью заполненной электронами. Благодаря наличию незанятых состояний электроны валентной зоны также принимают участие в процессе электропроводности за счет эстафетных переходов под действием электрического поля на более высокие освободившиеся энергетические уровни. Совокупное поведение электронов валентной зоны можно представить как движение дырок, обладающих положительным зарядом q и эффективной массой m*.
