Собственная проводимость полупроводников

В полупроводниках, в отличие от диэлектриков, для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости нужна сравнительно небольшая энергия (). Такой переход возможен благодаря тепловому возбуждению при комнатных температурах, а также под действием света, достаточно сильного внешнего электрического поля и других факторов. Электроны, попавшие в свободную зону полупроводника, могут принимать участие в электропроводности, перемещаясь между незанятыми подуровнями. Поэтому свободную зону полупроводника, в которую перескочили электроны из валентной зоны, называют зоной проводимости. Движение электронов зоны проводимости полупроводника под действием внешнего электрического поля создает электронную проводимость.

Электроны, переброшенные в зону проводимости, освобождают в валентной зоне энергетические уровни. Эти незаполненные электронами энергетические состояния (вакансии) в валентной зоне называются дырками. Электроны валентной зоны могут теперь участвовать в электропроводности, перемещаясь между подуровнями, освободившимися в верхней части валентной зоны. Электропроводность, обусловленную перемещением электронов валентной зоны, удобнее рассматривать как движение дырок. Поэтому она называется дырочной электропроводностью. На рис. 35.8 показано, как в результате перескока электрона из валентной зоны в зону проводимости возникают электроны проводимости в зоне проводимости и дырки в валентной зоне.

Согласно классическим представлениям, при объединении атомов металла в кристалл все валентные электроны отрываются от атомов и, хаотически перемещаясь между атомами кристаллической решетки, образуют электронный газ. Валентные электроны диэлектрика от атомов не отрываются, а отдельные валентные электроны полупроводников могут отрываться от атомов при тепловом возбуждении или под действием других факторов. На месте оторванного электрона образуется вакансия – дырка. Под действием внешнего электрического поля валентный электрон может перескочить из соседнего атома и заполнить вакансию. Этот процесс удобно трактовать как перемещение дырки на соседний атом. Таким образом, под движением дырки мы понимаем перемещение положительного заряда, обусловленное переходами “связанных” электронов валентной зоны.

Электропроводность чистых полупроводников, обусловленную направленным движением свободных электронов зоны проводимости и встречным перемещением связанных электрических зарядов – дырок валентной зоны, называют собственной проводимостью.

35.5. Уровень Фéрми

Распределение электронов по уровням валентной зоны и зоны проводимости описывается функцией Фéрми–Дирáка, задающей вероятность того, что состояние с энергией занято электроном

, (35.1)

где – постоянная Больцмана, – абсолютная температура, – энергия уровня Фéрми, вероятность нахождения на котором электрона . График этой функции, совмещенный с энергетической диаграммой полупроводника, показан на рис. 35.9.