Физические основы электропроводности полупроводников

Полупроводники в отличиу от металлов в чистом виде при нормальной (комнатной температуре 300°К) близки по свойствам диэлектрикам, то есть электропроводность практически равна нулю. И лишь за счет введения специальных примесей, а также за счет высокой напряженности электрического поля электропроводность может быть существенно увеличена.

Физическую модель полупроводника описывает зонная теория. Ее основой являются известные постулаты физики твердого тела о движении электронов вокруг атомного ядра на дискретных орбитах, определяемых энергией электрона (разрешенных энергетических уровнях). Такие электроны жестко “привязаны” к конкретному атому и не могут свободно передвигаться, то есть быть носителями тока.

При достаточном энергетическом воздействии электрон может приобрести дополнительную энергию, достаточную для того, чтобы “оторваться” от связи с конкретным атомом и стать “свободным”.

Свободные электроны способны участвовать в электропроводности или под воздействием градиента концентрации (электрохимического потенциала) - диффузии, или за счет градиента электрического поля (электрического потенциала) - дрейфа.

В твердом теле разрешенные энергетические уровни отдельных электронов образуют разрешенные зоны, состоящие из дискретных уровней отдельных электронов.

Разрешенные зоны разделены друг от друга запрещенными зонами (значениями энергии, которыми электроны обладать не могут).

Проводимость в твердом теле возможна лишь при переходе электрона на ближайший более высокий разрешенный энергетический уровень. Такие уровни имеются в “верхней” разрешенной зоне, которая называется зоной проводимости (conduction band). Ближайшая к ней “нижняя” разрешенная зона при температуре абсолютного нуля является полностью заполненной и называется валентной зоной (valence band).

Электропроводность полупроводника определяется взаимодействием этих двух зон.

3.3. Электропроводность беспримесного (собственного)
полупроводника

Рис. 3.1. Механизм возникновения свободных носителей

В беспримесном полупроводнике при абсолютном нуле (Т=0°К) все уровни валентной зоны заняты, а зоны проводимости - свободны, свободных носителей нет, электропроводность равна нулю. При повышении температуры (Т>0°К) отдельные электроны приобретают энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости, где электрон становится свободным и может двигаться под воздействием электрического поля (рис. 3.1). Но при уходе из валентной зоны электрон оставляет там “вакантное” место - освободившийся разрешенный уровень, который может быть занят соседним электроном валентной зоны, то есть появляется возможность движения свободных зарядов и в валентной зоне. Поэтому в результате акта перехода одного электрона из валентной зоны в зону проводимости в полупроводнике появляется два свободных носителя - электрон (п) в зоне проводимости и свободный уровень в валентной зоне - дырка (р). В собственном полупроводнике число свободных электронов (п_i) и число дырок (р_i) равны

п_i = р_i (3.1)

Число свободных носителей при данной температуре Т определяется плотностью разрешенных уровней в каждой зоне и вероятностью нахождения электрона на определенном уровне и подчиняется соотношению

, (3.2)

где А - коэффициент, отражающий свойства материала;

j_з - ширина запрещенной зоны в вольтах;

j_Т - температурный потенциал:

где k -постоянная Больцмана, q - заряд электрона.

При комнатной температуре j_Т» 0.025 В.

Для наиболее распространенных полупроводников: германия (j_з =0.66В), кремния (j_з = 1.12 В), поскольку j_з /2j_Т >>1, значение экспоненты в (3.2) очень сильно меняется от приращений ее показателя.

Отсюда следует два важных вывода:

электропроводность собственного полупроводника очень резко зависит от ширины запрещенной зоны, так при Т=300°К для германия
п_i = 2.5·10¹³, для кремния п_i = 2·10¹⁰, то есть электропроводность кремния на 3 порядка меньше электропроводности германия;

электропроводность собственного полупроводника очень сильно зависит от температуры (из-за влияния j_Т на показатель экспоненты). Температурная зависимость электропроводности является существенным фактором, затрудняющим применение полупроводниковых приборов, поскольку температурные изменения могут быть вызваны не только внешней средой, но и внутренним разогревом протекающего через полупроводник тока. Обеспечение эффективного отвода тепла от полупроводника, исключающего его перегрев, является одной из главных задач при проектировании как мощных дискретных полупроводниковых элементов, так и маломощных устройств, содержащих в ограниченном объеме огромное число элементов.

Инициировать электропроводность собственного полупроводника можно не только при его нагреве, но и за счет других энергетических воздействий: оптического, механического, электрического поля высокой напряженности.

На основе этих явлений электронной промышленностью выпускаются специальные полупроводниковые элементы: терморезисторы, фоторезисторы, тензорезисторы, варисторы. Эти элементы меняют свою электропроводность (сопротивление) под воздействием одного из вышеуказанных факторов, то есть являются преобразователями указанных величин - температуры, освещенности, механической деформации, напряженности электрического поля - в электрическое сопротивление. Перечисленные элементы широко используются в системах автоматики, измерительной технике и т.д., каждый из них описывается целым набором характеристик и параметров, имеет много конструктивных модификаций, и для профессионального их применения необходимо обращаться к специальной литературе.