Проводимость полупроводников
Полупроводники по проводимости электрического тока находятся между проводниками и диэлектриками. Это связано с распределением энергетических уровней. Для того, чтобы понять как именно возникает проводимость полупроводников рассмотрим энергетическую диаграмму изолированного атома.
Из квантовой механики известно, что электроны атома могут обладать только дискретными (определёнными) значениями энергии и в связи с этим находится, только на определённых энергетических уровнях.
При отсутствии внешних воздействий нижние энергетические уровни заполнены. При этом электроны, которые находятся на них, обладают меньшей энергией, чем те, которые находятся на верхних уровнях. Но если каким-то образом сообщить электронам энергию, например тепловым воздействием, то электроны, которые получили энергию не смогут оставаться на нижних уровнях и будут переходить на верхние. При этом, атом будет переходить в возбуждённое состояние. Если количество энергии достаточно велико, то электроны и вовсе могут покинуть атом, и тем самым его ионизировать.
Но в веществе атом, не может быть один. Он находится в тесной связи с другими атомами. В группе таких атомов (допустим, группа из 4 атомов) происходит взаимодействие друг с другом, благодаря которому энергетические уровни смещаются и образуются подуровни. Эти подуровни образуют так называемые разрешённые зоны, и число этих подуровней в одной зоне, равно числу атомов в группе. У металлов, которые имеют кристаллическую решетку, число атомов в группе велико, поэтому разрешенная зона также велика.
Количество энергии между разрешенными зонами, называется запрещенной зоной. Причем, эта запрещенная зона у проводников может отсутствовать, как раз по причине большой разрешенной зоны. Поэтому энергетическая диаграмма проводников сплошная. Можно сделать вывод, что чем больше число атомов в группе, тем больше разрешенная зона, и тем больше количество электронов которые могут свободно перемещаться по кристаллу и создавать электрический ток. Тот факт, что запрещенная зона существует, делит все материалы по типу проводимости на три вида – проводники, полупроводники и диэлектрики.
На энергетической диаграмме показаны верхние разрешенные зоны, между которыми находится запрещенная зона. Причем нижняя зона называется валентной зоной, а верхняя зоной проводимости.
Так как в металлах запрещенная зона практически отсутствует, то достаточно сообщить небольшую порцию энергии электронам валентной зоны, чтобы они перешли в зону проводимости. В полупроводниках дело обстоит иначе. Их запрещенная зона лежит в пределах от 0,1 до 3 эВ, поэтому их проводимость хуже, чем у проводников. А у диэлектриков ширина запрещённой зоны лежит в пределах от 4 до 10 эВ и проводимость их крайне мала.
Рассмотрим, что происходит внутри кристалла кремния. Напомним, что атом кремния имеет 4 валентных электрона, благодаря чему образует ковалентную связь с четырьмя ближайшими атомами.
При повышении температуры, электрон получает количество энергии, которое хватает чтобы “перескочить” из валентной зоны в зону проводимости и отделяется от атома. Он начинает перемещаться по кристаллу и участвовать во взаимодействии с другими атомами. На месте, с которого ушёл электрон, остался нескомпенсированный положительный заряд – дырка. На место дырки приходит другой электрон, таким образом, ковалентная связь восстанавливается в одном месте, но нарушается в другом. Так, дырка перемещается по кристаллу и движется она противоположно движению электронов. Движение электронов и дырок внутри чистого полупроводника называется собственной проводимостью.
Процесс образования новых носителей называется термогенерацией. Но может случится так, что свободный электрон займёт место дырки, таким образом произойдёт – рекомбинация. При динамическом равновесии число возникающих носителей равно числу рекомбинирующих.
Читайте также - примесные полупроводники