Собственной проводимости

Электрическая проводимость полупроводников, основанная на перемещении части электронов основной зоны в зону возбужденных уровней, может быть, если под действием внешних или внутренних факторов энергетический разрыв между зонами будет преодолен. К числу таких факторов относятся повышение температуры полупроводника и введение в его состав различных примесей. Проводимость химически чистых полупроводников называется собственной проводимостью, а сами полупроводники — собственными полупроводниками. Примером та-

Полупроводники высокой степени очистки в области не слишком низких темрератур обладают электрической проводимостью, обусловленной наличием в них собственных носителей заряда — электронов и дырок. Эту проводимость называют собственной проводимостью полупроводников.

электрического поля при достаточно высоких температурах через полупроводник протекает электрический ток, который определяется движением как электронов, так и дырок. В идеально чистом полупроводнике число электронов в зоне проводимости точно равно числу дырок в валентной зоне. Переход электронов в полупроводнике из валентной зоны в зону проводимости может происходить и при поглощении электроном кванта света, энергия которого hv > AW; при этом также в валентной зоне образуется дырка. Наряду с процессами образования пар электрон—дырка в полупроводнике имеет место и обратный процесс — рекомбинация электрона и дырки с переходом электрона из зоны проводимости в валентную зону и испусканием при этом кванта энергии hv. В результате действия двух процессов — образования электронов и дырок и их рекомбинации — в полупроводнике устанавливается равновесная концентрация электронов и дырок, зависящая от температуры. Чистый полупроводник, не содержащий никаких примесей, называется собственным полупроводником, так как он обладает при некоторой температуре Т «собственной проводимостью». Кроме собственных полупроводников существуют также «примесные полупроводники», в которых часть атомов замещена 'атомами примеси.

В чистом полупроводнике, как уже указывалось, число электронов в зоне проводимости равно числу дырок в валентной зоне. Уровень Ферми при равенстве эффективных масс электронов и дырок располагается точно посредине зоны запрещенных уровней (рис. 38). На рисунке представлены вид функции Ферми полупроводника с собственной проводимостью, а также распределение электронов и дырок соответственно в зоне проводимости и валентной зоне.

Электропроводность химически чистых полупроводников называется собственной проводимостью. Она обусловливается свободными электронами, которые при достаточно высоких температурах отрываются от нейтрального атома (электронная проводимость, или проводимость «-типа), и «дырками», оставшимися от ушедших электронов, которые ведут себя как положительные заряды, значение которых равно заряду электрона (дырочная проводимость или проводимость р-типа).

Матрицы на полупроводниках с собственной проводимостью. В этих матрицах используют обычные фотопро-водящие и фотоэлектрические (фотоволь-таические) детекторы. Как и в случае суперрешеток, наиболее перспективна гибридная технология, которая предусматривает внедрение (приклеивание) чувствительного элемента на кремниевую подложку чипа считывания электрического сигнала.

Если A W велика, так что собственной проводимостью в рассматриваемой области температур можно пренебречь, а концентрация примесей NT не очень мала, то электропроводность обусловлена, в основном, "примесными" электронами. Подвижность Цз значительно слабее зависит от ©, чем ик. При рассеянии носителей электрического заряда на акустических (теп-

Электрическая проводимость химически чистых полупроводников называется собственной проводимостью. Она обусловливается свободными электронами, которые при достаточно высоких температурах отрываются от нейтрального атома (электронная проводимость или проводимость п-типа), и «дырками», оставшимися от ушедших электронов, которые ведут себя как положительные заряды, значение которых равно заряду электрона {дырочная проводимость win проводимость р-типа).

А. Полупроводники с собственной проводимостью ((-проводимость). Германий и кремний; оба элемента — диамагнитны.

собственной проводимостью (i -проводимость)

А. Полупроводники с собственной проводимостью (/-проводимость). Германий и кремний; оба элемента — диамагнитны.

Выбор рабочей длины волны лазера для сварки полупроводников может иметь важное технологическое значение. Полупроводниковые материалы характеризуются энергией активации собственной проводимости ш, которая численно равна ширине запрещенной зоны. Для различных материалов она различна. Так, для наиболее широко распространенных полупроводников она составляет: для теллура 0,36 эВ; германия 0,72 эВ; кремния 1,1 эВ; арсенида галлия и сульфида кадмия 2,4 эВ. Энергия кванта лазерного излучения

«дном» зоны проводимости. Величину AW,, наз. энергией активации собственной проводимости, т-, и. для появления проводимости у такого кристалла необходимо, чтобы часть электронов была переведена из валентной зоны в зону проводимости, напр, за счёт теплового возбуждения или фотоэффекта (см. Фотоэффект внутренний). Условно считают, что при AW0>2 эВ кристалл является диэлектриком, а при AW0< 2 эВ — ПП. По мере увеличения температуры ПП концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне быстро возрастает и соответственно быстро возрастает проводимость ПП [пропорционально ехр (—&Wa/2kT), где ft — Болъцмапа постоянная, Т — абсолютная температура]. Т. о., собств. проводимость ПП осуществляется как электронами в зоне проводимости, так и дырками в валентной зоне.

Примесные полупроводники донор-ного типа. В характере зависимости положения уровня Ферми и концентрации свободных носителей заряда в; примесных полупроводниках от температуры можно условно выделить три области: область низких температур,, истощения примеси и перехода к собственной проводимости.

Область высоких температур (область собственной проводимости). Высокими температурами считаются температуры, при которых происходит столь . сильное возбуждение собственных носителей, что их концентрация начинает значительно превышать концентрацию «примесных» носителей: п{ ^> япр = Nn. Поэтому концентрацию электронов в зоне проводимости можно считать равной nit а дырок в валентной — pt. Уровень Ферми в этом случае определяется соотношением (6.10), а концентрация носителей — соотношением (6. 12). 'На рис. 6.4, б, в показаны положение уровня Ферми и концентрация электронов в области собственной проводимости (область 3). Можно приблизительно определить температуру перехода к собственной проводимости Tt, если положить ц, в формуле (6.17) равным jv

Из (6.19) видно, что температура перехода к собственной проводимости тем выше, чем шире запрещенная зона Е8 и больше концентрация примеси в полупроводнике Л^д. Для германия при №я = = 101? см"3 температура Tt « 580 К. 166

k\n(2Nv/Na). для области перехода к собственной проводимости

Сильно легированные полупроводники. На рис. 6.7, а показано изменение с температурой концентрации электронов в зоне проводимости при различных концентрациях донорной примеси •#д. Увеличение Nn вызывает смещение этой кривой вверх, рост температур истощения примеси Т3 и перехода к собственной проводимости TI в соответствии с формулами (6.18) и (6.19), а также

вышеннем температуры примесные электроны перераспределяются по большему числу состояний у дна зоны, степень заселенности этих состояний уменьшается и при подходе к области собственной проводимости вырождение снимается.

Область // начинается с момента, когда уровень Ферми приближается к уровням ловушек. Дальнейшее повышение температуры здесь приводит к непрерывному понижению уровня Ферми и «выключению из работы» все большего числа ловушек. Поэтому скорость рекомбинации носителей уменьшается, а время жизни возрастает. Максимального значения т достигает при температуре перехода полупроводника к собственной проводимости Tt.

Область be простирается от температуры истощения примеси Ts .до температуры перехода к собственной проводимости Т,-. В этой •области все примесные атомы ионизированы, но .еще не происходит заметного возбуждения собственных носителей, вследствие чего концентрация носителей сохраняется приблизительно постоянной и равной концентрации примеси: п = Nn. Поэтому температурная зависимость проводимости полупроводника в этой области определяется температурной зависимостью подвижности носителей. ЕСЛ.И

Область cd соответствует собственной проводимости полупроводника. В этой области концентрация носителей заряда при достаточно высоких температурах практически равна концентрации собственных носителей. Поэтому проводимость полупроводника в этой области