Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников

ПолупроводникиВ соответствии с современными представлениями в конденсированных веществах (в жидкостях и твердых телах) электроны атомов, «жившие» до объединения этих атомов на верхних энергетических уровнях с фиксированными значениями энергий, в конденсированном веществе коллективизированы и распределены по так называемым энергетическим зонам. Энергетичекая зона представляет собой расширенный (бывший атомный) уровень энергии. Ширина энергетических зон определяется для каждого бывшего уровня энергии уединенных атомов только расстоянием между соседними ядрами бывших атомов в кристаллической решетке твердого вещества (или соседними молекулами в жидкости). Глубокие атомные уровни энергии расширяются при конденсации атомов мало, а уровни, соответствующие верхним (или внешним) электронным оболочкам расширены значительно больше. При низких температурах электроны занимают по возможности самые низкие энергетические уровни. Возможных способов взаимного расположения самой верхней из заполненных электронами зон, которую называют валентной зоной, и следующей за ней не полностью заполненной электронами (или совсем свободной от них) зоны, которую называют зоной проводимости, существует много. Все материалы, хорошо или плохо проводящие электрический ток, делятся в соответствии с этими разными способами на типы: металлы, полуметаллы, полупроводники, изоляторы. Принадлежность к какому-либо типу означает, что данный материал и другие материалы этого же типа обладают определенными похожими электрическими свойствами. 

Если при низких температурах в материале зона проводимости не содержит ни одного электрона, а энергетический зазор между валентной зоной и зоной проводимости лежит в диапазоне 0,25 эВ — 3 эВ (электрон-Вольт — это единица энергии), то такой материал относят к типу «полупроводники».

На приведенном рисунке уровни энергии Е0, попадающие в сине-фиолетовую полосу, соответствуют валентной заполненной зоне, а уровни энергии Е3, попадающие в синюю полосу, соответствуют зоне проводимости, которая при низких температурах (<100K) практически пуста. Электроны, находящиеся в заполненной валентной зоне, не могут обеспечить перенос заряда через материал, так как для того, чтобы возникло направленное движение зарядов, электронам нужно приобрести дополнительную скорость в определенном направлении, а это невозможно — все уровни энергии и все допустимые значения импульсов в зоне заняты!!!

В химически чистых полупроводниковых материалах, то есть в тех материалах, которые состоят из атомов только одного сорта, электроны, находящиеся в энергетических состояниях вблизи верха заполненной валентной зоны (уровень энергии Е0) вследствие теплового движения или под действием внешнего освещения могут перебраться на уровни энергии, соответствующие низу энергетической зоны проводимости (уровень энергии Е3). Вот эти электроны имеют возможность приобрести дополнительную скорость и, передвигаясь в зоне проводимости, обеспечить электрическую проводимость материала. Этот тип проводимости называется электронной проводимостью.

Освободившийся уровень Е0 вблизи верха валентной зоны могут занимать электроны с соседних уровней энергии, принадлежащих той же зоне, вновь освободившееся «место» может занять другой электрон и т.д. Таким образом, вакантное место вблизи уровня энергии Е0 — «дырка» — отправилось в путешествие по материалу. Этот тип проводимости называется дырочной проводимостью.

Электроны проводимости и дырки, возникающие в чистом без примесей полупроводнике вследствие теплового движения, называются собственными носителями заряда. Проводимость, которую они обеспечивают, называется собственной проводимостью.