Промежуточное положение между валентной зоной и зоной проводимости занимает запрещенная зона.

В различных веществах, а также в различных формах одного и того же вещества, энергетические зоны располагаются по-разному. По взаимному расположению этих зон вещества делят на три большие группы:

• проводники — зона проводимости и валентная зона перекрываются, образуя одну зону, называемую зоной проводимости, таким образом, электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию. Таким образом, при приложении к твердому телу разности потенциалов, электроны смогут свободно двигаться из точки с меньшим потенциалом в точку с большим, образуя электрический ток. К проводникам относят все металлы.

• диэлектрики — зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет более 3.5 эВ. Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят.

• полупроводники — зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет менее 3.5 эВ. Для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники слабо пропускают ток.

В полупроводниках при очень низких температурах уровень Ферми лежит посередине между зоной проводимости и валентной зоны.

(Для донорных полупроводников — полупроводников n-типа проводимости — уровень Ферми лежит посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем). С повышением температуры вероятность заполнения донорных состояний уменьшается, и уровень Ферми перемещается вниз. При высоких температурах полупроводник по свойствам близок к собственному, и уровень Ферми устремляется к середине запрещенной зоны. Аналогичные закономерности проявляются и полупроводниках р-типа проводимости.

Зонная теория является основой современной теории твёрдых тел. Она позволила понять природу и объяснить важнейшие свойства металлов, полупроводников и диэлектриков. Величина запрещённой зоны между зонами валентности и проводимости является ключевой величиной в зонной теории, она определяет оптические и электрические свойства материала.

Поскольку одним из основных механизмов передачи электрону энергии является тепловой, то проводимость полупроводников очень сильно зависит от температуры. Также, проводимость можно увеличить, создав разрешенный энергетический уровень в запрещенной зоне, путем легирования. Таким образом создаются все полупроводниковые приборы: солнечные элементы (преобразователи света в электричество), диоды, транзисторы, твердотельные лазеры и другие.

Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости называют процессом генерации электрона, обратный переход — процессом рекомбинации.

Полупроводники (понятие)

Итак, полупроводники́ — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры^[1].

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли атом примеси электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи абсолютного нуля температуры полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Полупроводники характеризуются наличием двух типов носителей заряда:

отрицательного — электроны;

положительного — дырки),

Дырка

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Это обуславливается ковалентными связями атомов (связь посредством валентных электронов валентной зоны). Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.

Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.

Чтобы понять, как движется дырка, проведем аналогию между кристаллом и зрительным залом театра. Допустим, что один из зрителей из первого ряда по какой-то причине ушел (рис. 2,а). После его ухода осталось свободное кресло — своеобразная дырка.

Представим, что на его место пересел зритель из второго ряда. Теперь пустое кресло будет уже во втором ряду (рис. 2, б). Допустим, что свободное место во втором ряду займет зритель из третьего ряда, тогда пустое место перейдет из второго ряда в третий (рис. 2, в) и т. д.

Дырка (пустое кресло) как бы движется по залу. Аналогично перемещается по кристаллу с места на место положительная вакансия в электронной связи — дырка.

Подвижность носителей (электронов и дырок)

Подвижность электронов и дырок зависит от их концентрации в полупроводнике. При большой концентрации носителей заряда, вероятность столкновения между ними вырастает, что приводит к уменьшению подвижности и проводимости.

Механизм электрической проводимости полупроводников

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков.

Образуя кристаллы, атомы полупроводников устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле, например, кремния, связан двумя атомами). Поэтому, электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома.

Под воздействием электрического поля, температуры и других внешних факторов электрические свойства полупроводников изменяются в значительно большей степени, чем свойства проводников и диэлектриков.

Например, при повышении температуры отдельные атомы получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ.

Типы проводимости полупроводников

а) по характеру проводимости:

собственная проводимость

примесная проводимость

б) по виду проводимости

электронные полупроводники (n-типа)

дырочные полупроводники (р-типа)

Собственная проводимость

Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. Т.е. собственная проводимость полупроводников возникает в результате разрыва валентных связей электронов.

В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок». По этой причине собственная проводимость невелика.

Примесная проводимость

Для увеличения электропроводности в полупроводники вводят незначительное количество примесей.

При этом оказывается, что в зависимости от рода примеси получают как полупроводники с дырочной проводимостью, так и полупроводники с электронной проводимостью.

Полупроводники с дырочной проводимостью называют полупроводниками p-типа.

Полупроводники с электронной проводимостью называют полупроводниками n-типа.

Электронные полупроводники (n-типа)

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырехвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.