Напівпровідникові прилади. Електропровідність напівпровідників. Домішкова провідність

Розділ II

Напівпровідникові прилади

2.1. Електропровідність напівпровідників

2.1.1. Електрична властивість матеріалів

Сучасна електронна техніка базується на використанні напівпровідникових приладів, тобто приладів, фізика роботи яких основана на використанні явищ, що мають місце  в напівпровідникових матеріалах. Напівпровідниковими матеріалами називають таку групу матеріалів, які за своїми електричними властивостями (точніше, за величиною питомого електричного опору) займають середину між провідниками та ізоляторами.

В різних літературних джерелах приводяться діапазони питомого опору напівпровідникових матеріалів (германій, кремній, селен, інтерметалічні з’єднання, арсенід галія GaAs, антимоніт індія InSb, деякі окисли (Cu₂O, ZnO), карбіди (SiC), органічні з’єднання). Найбільш поширені значення , в той час як питомому опору провідників (мідь, серебро, алюміній, ряд інших металів, електроліти, розчини деяких речовин і т.д.) відводиться діапазон , а діелектриків (скло, ебоніт, слюда, фарфор) .

Щоб визначитися з особливостями провідності напівпровідникових матеріалів, згадаємо, що в структурі атома кожен електрон обертається навколо ядра по своїй орбіті, якій відповідає конкретне значення його енергії (рівень енергії електрона вимірюється в електрон-вольтах (еВ)). Чим більш віддалений електрон від ядра, тим більше його енергія і тим менший його зв’язок з атомом. Значення енергії електрона на його орбіті називається енергетичним рівнем. Відповідно до принципу Паулі, спільну орбіту можуть мати лише два електрони з різними спінами, тому кількість ковалентних зв’язків атома визначається його валентністю. При поєднанні групи атомів особливість енергетичних рівнів проявляється в тому, що вони не зливаються, а зміщуються один відносно іншого, створюючи при цьому енергетичні зони. Особливість енергетичних зон полягає в тому, що вони розділені між собою і створюють як дозволені енергетичні рівні, так і заборонені. Дозволені енергетичні рівні характерні тим, що електрон, одержавши або віддавши квант енергії, може перейти в нього, а в заборонений – електрон ні в якому разі потрапити не зможе. Тверде тіло характеризується великою кількістю близько розміщених атомів, а тому кількість електронів  в кожній енергетичній зоні досить велика.

На величину провідності матеріалу впливає, в основному, лише верхня енергетична зона, в якій розміщені валентні електрони.

Як відомо, на електрон, що знаходиться в валентному зв’язку, як і на вільний електрон, можуть діяти зовнішні фактори, впливаючи на його енергію. Такими факторами є теплові кванти – фонони, світлові кванти – фотони, електричні і магнітні поля і т.п. При цьому електрони одержують допоміжну енергію (збуджуються) і можуть перейти як з одного енергетичного рівня на інший, вищий, так і звільнитись з валентного енергетичного рівня, перейшовши в так звану зону вільних рівнів. В особливостях переходу валентних електронів в зону вільних рівнів і полягає різниця в  провідності різних матеріалів.

 На рис. 2.1 представлена енергетична діаграма, яка пояснює ці особливості. Валентні електрони при відсутності збуджуючих факторів знаходяться в валентній зоні W_В. Для переходу в зону провідності W_П (зону вільних рівнів енергії) електрон повинен пройти заборонену зону W_З. Для металів ширина забороненої зони W_З настільки мала, що  зони W_В та W_П фактично не розділені. Тому для електронів, що знаходяться на верхніх енергетичних рівнях валентної зони, достатньо незначної енергії, щоб вони перейшли в зону вільних рівнів і при наявності електричного поля створили високу електричну провідність.

Ізолятори, навпаки, мають широку заборонену зону Wз, яка визначає енергію, яку необхідно надати електрону верхнього рівня валентної зони, щоб він міг перейти на нижній рівень зони W_П (рис. 2.1). При великій ширині зони W_З, яка має величини понад   3 еВ, в зоні провідності ізоляторів при звичайних умовах надто мало електронів і відповідно, низька провідність матеріалу.

Ширина забороненої зони різна у різних напівпровідникових матеріалів і залежить від температури ( W_З(Ge) = 0.75 B; W_З(Si) = 1/12 B; W_З(GaAs) = 1.43 B ).

Заборонена зона напівпровідників має величину, значно меншу, ніж ізоляторів, тому значна кількість електронів може досягти зони провідності при звичайних умовах. До того ж, з ростом температури (кількості теплових квантів – фотонів) зростає кількість електронів в зоні W_П і зростає провідність напівпровідників. (Провідність напівпровідника зростає з ростом температури, в той час як провідність металу –зменшується).

2.1.2. Електропровідність напівпровідників