0,1-4 еВ DЕ> 4 еВ
Мал. 22. Розташування енергетичних зон в кристалах
У провіднику електрони валентної зони при їх незначному порушенні можуть легко перейти на вільні енергетичні рівні зони провідності, що забезпечує високу електропровідність металів.
У ізоляторів зона провідності відділена від валентної зони великим енергетичним бар'єром (DЕ> 4 еВ). Валентні електрони не можуть потрапити в зону провідності навіть при передачі їм значної кількості енергії, так як електрони не можуть вільно переміщатися по всьому об'єму кристала, провідність в кристалі відсутній.
Ширина забороненої зони напівпровідників невелика (DЕ
0,1-4 еВ). При низькій температурі вони проявляють властивості ізоляторів. З підвищенням температури енергія валентних електронів зростає і стає достатньою для подолання забороненої зони. Відбувається перенесення електричних зарядів, напівпровідник стає провідником.
# 9679; Власна електропровідність (провідність)
Власної електропровідністю (провідність) напівпровідників називається електропровідність, в якій бере участь однакова кількість електронів і дірок. При цьому обидва типи носіїв утворюється внаслідок переходу електронів з валентної зони в зону провідності. Даний процес описується в такий спосіб.
При температурі, близької до температури абсолютного нуля, всі рівні у валентній зоні напівпровідника заповнені повністю, а в зоні провідності порожні. У цих умовах кристал має властивості діелектрика.
З підвищенням температури (отримання кванта енергії) електрони набувають додаткову енергію, і частина електронів покидає валентну зону, переходить в зону провідності. Процес утворення вільних електронів називається генерацією електронів.
У валентній зоні на його місці залишається вакансія - так звана позитивно заряджена дірка. При накладенні електричного поля електрони, що перейшли в зону провідності, і дірки у валентній зоні набувають додаткові швидкості і беруть участь в утворенні електричного струму в кристалі.
Електропровідність в напівпровіднику здійснюється як електронами, які пройшли в зону провідності, так і дірками у валентній зоні,
т. е. має місце електронна (n-типу) і діркова (p-типу) провідність.
Для кожного напівпровідника власна провідність настає при різних температурах, які тим вище, чим більше величина забороненої зони (рис. 23). Ширина забороненої зони залежить від міцності зв'язку та структурних особливостей кристалічної решітки. До напівпровідників з вузькою забороненою зоною відносяться сіре олово, чорний фосфор, телур. Перенесення електронів в зону провідності у них спостерігається вже за рахунок променевої енергії. До напівпровідників з широкою забороненою зоною відносяться вісмут і кремній. Для здійснення в них провідності потрібно потужний теплової імпульс, а для алмазу - g-випромінювання.
Відомо 13 кристалічних модифікацій простих речовин, що володіють напівпровідниковими властивостями. Вони знаходяться в головних підгрупах III-VII груп ПСЕ. До типових власним напівпровідників відносяться B, S, Si, Ge, Sn (сіре). Р, As, Sb, S, Se і т. Д. В кристалах простих речовин цих елементів ковалентний або близький до нього характер хімічного зв'язку
Власної електронної електропровідністю можуть володіти кристали, які не містять чужорідних атомів і порушень кристалічної решітки, в іншому випадку, мала б місце генерація вільних носіїв в зону провідності, без обов'язкової освіти пари електрон-дірка, т. Е. Мова, йде про ідеальні кристалах.
В реальних умовах зустрічаються кристали з домішками і дефектами кристалічної решітки. Більш того, такі кристали і представляють практичний інтерес.
# 9679; Електропровідність домішкових напівпровідників
Наявність в напівпровідниковому кристалі домішкових атомів призводить до порушення стехіометричного складу, порушення кристалічної решітки і появи додаткових квантових рівнів в зонної структурі кристала. Ці рівні, утворені донорной домішкою, називаються донорними. акцепторною домішкою - акцепторними.
Вони розташовуються зазвичай в забороненій зоні на відстанях в декілька десятих або сотих електрон-вольта від нижнього краю зони провідності для донорної домішки (рис. 24, в) і відповідно від верхнього краю валентної зони для акцепторной домішки (рис. 25, в).
Мал. 24. Схема провідності в донорно напівпровіднику: а - ковалентні зв'язки в чистому напівпровіднику кремнію; б - домішковий атом фосфору;
в - зонна структура донорного напівпровідника
Мал. 25. Схема провідності в акцепторном полупроводнике: а - ковалентні зв'язки в чистому напівпровіднику кремнію (домішковий атом бору); б - зонна структура акцепторного напівпровідника
Наприклад: посилення провідності n-типу відбувається введенням домішкових донорів. Домішки в кристалах, атоми яких здатні віддавати електрони, посилюючи електронну провідність, називаються донорами.
У кристалі Si з 4 електронами на зовнішньому рівні один з атомів заміщений атомом Р. на зовнішньому енергетичному рівні якого знаходиться п'ять валентних електронів, чотири з яких утворюють ковалентні зв'язки з сусідніми атомами Si, а один електрон знаходиться на вільній орбіталі у атома фосфору (рис. 24). При передачі кристалу Si невеликій енергії (4,4 кДж / моль) цей електрон легко відщеплюється від домішкового атома Р і проникає з валентної зони через заборонену зону в зону провідності, т. Е. Служить переносником електричного струму. В цілому ж кристал Si залишається електронейтральний.
По відношенню до Si домішковими Донорно будуть р-елементи п'ятої групи.
Посилення примесной провідності р-типу відбувається (рис. 25) введенням домішкових акцепторів. Домішки в кристалах напівпровідників, атоми яких здатні посилювати в них дірковий провідність, називаються акцепторами.
У кристалі Si з 4 електронами на зовнішньому уровнеодін з атомів заміщений на атом B, на зовнішньому енергетичному рівні якого знаходиться тільки три електрона. При утворенні чотирьох ковалентних зв'язків з атомами Si утворюється дефіцит одного електрона в кожному вузлі кристалічної решітки, що містить атом B. При передачі такого кристала невеликій енергії, атом B захоплює електрон з сусідньою ковалентного зв'язку, перетворюючись в негативно заряджений іон.
На місці захопленого електрона утворюється дірка. Якщо помістити кристал в електричне поле, то дірка стає носієм заряду, а електрична нейтральність атома зберігається.
По відношенню до Si домішковими акцепторами будуть р-елементи третьої групи, а також Zn, Fe, Mn.
Таким чином, варіюючи природою і концентраціями домішок в напівпровідниках, можна отримати задану електричну провідність і тип провідності
Дефекти в реальних кристалах можуть виникати не тільки в результаті домішок атомів інших елементів, а й теплового руху частинок, які формують кристал. При цьому атоми, молекули або іони покидають свої місця в вузлах кристалічної решітки і переходять або в міжвузля або на поверхню кристала, залишаючи в решітці незаповнений вузол - вакансію.
Точкові дефекти в іонних кристалах істотно впливають на їх провідність. Під дією електричного поля найближчий до вакансії іон переходить на її місце, а в точці колишнього місця розташування створюється нова вакансія, яку займає в свою чергу сусідніми іонами. Подібні «переходи» іонів реалізуються з великою частотою, забезпечуючи іонну провідність кристала