Напівпровідники із власною і домішковою провідністю

При К зона провідності напівпровідника цілком порожня, а валентна зона цілком заповнена електронами (рис.2в). Між валентною зоною і зоною провідності існує енергетичний зазор – заборонена зона . У типових напівпровідників 1 еВ. При зовнішньому впливі на напівпровідник (нагріванні, опромінюванні, прикладанні електричного поля) електрон валентної зони, одержавши енергію більшу за , переходить у зону провідності, де він стає вільним. Як і при опроміненні діелектриків, це у свою чергу приводить до появи у валентній зоні вакантного місця – “дірки”, що без втрати енергії може бути заповнена іншим електроном валентної зони. Після цього заповнення у валентній зоні утвориться нова дірка, але вже просторово зміщена порівняно із первісною. Має місце дрейф “дірки” по кристалу. Оскільки термін “дірка” є загальновживаним, надалі лапки у ньому опустимо.

Таким чином, дірка є вільним зарядом і, так само як електрон, бере участь у тепловому русі. При розміщенні напівпровідника у зовнішньому електричному полі, на хаотичний тепловий рух електронів і дірок накладається упорядкований рух, що створює електричний струм.

Напівпровідник, у якому вільні носії виникають тільки за рахунок розриву валентних зв'язків, називається власним. Концентрації вільних електронів у зоні провідності або дірок у валентній зоні (індекс від англ. intrinsic – власний) у власному напівпровіднику рівні:

, (1)

оскільки кожен електрон, що переходить у зону провідності, залишає у валентній зоні дірку. Рівень, що відповідає енергії Фермі у власному напівпровіднику, лежить звичайно посередині забороненої зони (рис.2в).

У чистий напівпровідник можна ввести атоми-домішки. Такий напівпровідник називають легованим, а процедуру внесення домішки – легуванням. Число валентних електронів домішки може бути як більше, так і менше числа валентних електронів атома напівпровідника. У першому випадку “зайвий” електрон переходить у зону провідності, а атом домішки перетворюється в позитивно заряджений іон. Домішка, що дає електрони в зону провідності, називається донорною, електропровідність напівпровідника з даною домішкою – електронною, а сам напівпровідник – напівпровідником типу провідності. Отже, донорний рівень визначається як нейтральний при заповненні його електроном, і як позитивно заряджений, коли він порожній.

В другому випадку атом домішки “захоплює” електрон з валентної зони, і у підсумку з'являється негативно заряджений іон і вільна дірка. Концентрація вільних носіїв заряду тепер визначається концентрацією домішки. Домішка, що дає дірки у валентній зоні, називається акцепторною, електропровідність напівпровідника – дірковою, а сам напівпровідник – напівпровідником типу провідності. Акцепторний рівень є нейтральним у незаповненому стані і негативно заряджений при заповненні його електроном.

Домішка вибирається таким чином, щоб верхній валентний енергетичний рівень донорної домішки був розташований у забороненій зоні напівпровідника поблизу зони провідності, а акцепторної домішки – поблизу валентної зони напівпровідника (рис.2г). Такий вибір енергетичного положення домішок продиктований тим, що спрощується їх іонізація.

Наприклад, для германія, який має = 0,7 еВ, домішки фосфору є донорами і утворюють рівні на відстані = 0,01 еВ від дна зони провідності, а домішки галію є акцепторами, для яких відстоїть на 0,05 еВ від валентної зони.

Особливості зонної структури визначають і електрофізичні властивості твердих тіл. Питомий опір різних речовин лежить у широкому діапазоні значень. Наприклад, при кімнатній температурі 10^-8 Ом×м для металів, 10⁴…10⁷ Ом×м для напівпровідників і 10¹²…10²⁰ Ом×м для ізоляторів. При зміні температури твердого тіла його опір електричному струму змінюється. У залежності від роду твердого тіла температурні залежності опору носять найрізноманітніший характер. Наприклад, опір металів з ростом температури зростає, а опір напівпровідників зменшується. Щоб зрозуміти, які процеси відбуваються в провідниках при проходженні електричного струму, розглянемо основні положення теорії електропровідності металів і напівпровідників і причини розходження температурних залежностей їхніх опорів.