2. Електропровідність напівпровідників

Власні напівпровідники не містять домішок, які впливають на їх електропровідність. Їх зона провідності відокремлена від валентної забороненою зоною.

У випадку збудження власного напівпровідника одночасно створюються два носії зарядів з протилежними знаками (електрон у зоні провідності та дірка у валентній зоні), причому концентрація електронів дорівнює концентрації дірок.

Рухливості електронів та дірок неоднакові, звичайно електропровідність власного напівпровідника має слабо переважаючий електронний характер.

Домішкові напівпровідники використовуються в більшості напівпровідникових приладів. Тому на практиці використовують такі напівпровідники, у яких відчутна концентрація власних носіїв з’являється при можливо вищих температурах. Вільні носії заряду в робочому інтервалі температур поставляють домішкові атоми.

В простих напівпровідниках домішками служать сторонні атоми. В хімічних сполуках домішками є атоми сторонніх елементів та надлишкові за стехіометричним складом атоми елементів, що утворюють сполуку. Крім цього, роль домішок виконують різноманітні дефекти кристалічної решітки.

При цьому енергія активації домішкових атомів значно менша, ніж ширина забороненої зони основного напівпровідника. Тому вже в умовах кімнатної температури перекидання електронів домішки буде випереджати збудження електронів решітки. Позитивні заряди, що виникають у віддалених один від одного домішкових атомів залишаються локалізованими, тобто не можуть переміщуватись кристалом і брати участь в електропровідності. Провідність забезпечується збудженими електронами домішки, напівпровідник називають напівпровідником n-типу, а домішки, завдяки яким утворюються вільні електрони, донорними. Для основних чистих напівпровідників (Ge, Si) таку роль відіграють речовини п’ятої групи таблиці Менделєєва (фосфор, миш’як, сурма).

Акцептори. Внесення до напівпровідникового матеріалу домішок третьої групи (алюмінію, бору, індію) призводить до появи в забороненій зоні поблизу верхньої границі валентної зони незаповнених енергетичних рівнів. Атоми таких домішок легко забирають на ці локальні рівні електрони з валентної зони атомів основного матеріалу. Внаслідок цього виникають негативні іони домішки, а на місці обірваного валентного зв’язку основного атома – позитивний заряд, так звана дірка. Такі домішки називають акцепторними, а напівпровідники, в яких основними носіями зарядів є дірки – напівпровідниками р-типу.

3 Вплив зовнішніх факторів на електропровідність напівпровідників

Вплив тепла. З підвищенням температури концентрація носіїв заряду зростає. Рухливість носіїв заряду з підвищенням температури може або слабо зростати (при низьких температурах), або слабо зменшуватись (при вищих температурах).

Вплив деформації. При деформації змінюються міжатомні відстані, що призводить до зміни концентрації і рухливості носіїв заряду. Основний фактор – зміна концентрації – визначається енергією активації, причому ширина забороненої зони може як збільшуватися, так і зменшуватись. Тому для різних напівпровідників однакова деформація може викликати як збільшення, так і зменшення питомої електропровідності.

Вплив світла. Світлова енергія, що поглинається напівпровідником, викликає появу в ньому надмірної (порівняно з рівноважною для даної температури) кількості носіїв заряду, яка призводить до збільшення електропровідності. Явище збільшення електропровідності внаслідок дії електромагнітного випромінювання називається фотопровідністю.

Вплив сильного електричного поля. Електропровідність напівпровідників залежить від напруженості електричного поля. При низьких значеннях витримується закон Ома – питома електропровідність не залежить від напруженості поля, а при вищих значеннях починається інтенсивне зростання провідності.

Зростання провідності обумовлено збільшенням числа носіїв заряду, оскільки під впливом поля вони легше звільняються тепловим збудженням. Подальше зростання поля викликає ударну іонізацію, яка інколи призводить до руйнування структури напівпровідника.

При проходженні електричного струму через напівпровідник під дією достатньо сильного електричного поля носії заряду можуть набувати енергії більшої, ніж рівноважна теплова. Такі носії називають “гарячими”. При цьому їх рухливість може значно змінюватись, що може, в свою чергу супроводжуватись електричними коливаннями (ефект Ганна).