Электропроводность полупроводников, связанную с нарушением валентных связей, называют их собственной проводимостью

На электропроводность полупроводников большое влияние оказывают примеси. Приналичии примесей происходит появление избыточных валентных электронов, которые легко освобождаются от атомов и превращаются в свободные заряды. Следует отметить, что содержание примесей может быть весьма незначительным, однако повышение электропроводности при этом может быть весьма существенным. Так, например, для германия наличие всего 0,001% примесей приводит к увеличению электропроводности в 10⁴ раз.

Электропроводность полупроводников, обусловленную наличием примесей, называют его примесной проводимостью. Примесная проводимость полупроводников может во много раз превышать их собственную проводимость.

В соответствии с зонной теорией твердого тела электроны, связанные с изолированным атомом, могут иметь только определенные дискретные уровни энергии и, следовательно, могут занимать только дискретные орбиты, между которыми располагаются зоны запрещенных энергий.

В запрещенные зоны входят такие уровни энергий, которые электроны принимать не могут. Шириной запрещенной зоны называется уровень энергии ΔW между двумя соседними разрешенными зонами.

На рис. 1 приведена энергетическая диаграмма полупроводника, в которой последняя разрешенная полностью занятая зона называется валентной, а первая разрешенная свободная зона называется зоной проводимости. Между этими двумя разрешенными зонами располагается запрещенная зона с шириной ΔW.

Внутри разрешенных зон энергетические уровни располагаются так близко, что можно считать их практически непрерывными. Это позволяет вместо линейчатого энергетического спектра электронов атома рассматривать спектр энергетических зон, в котором чередуются разрешенные и запрещенные зоны ΔW.

Электрон может перейти из валентной зоны в зону проводимости, если он получит дополнительную энергию, превышающую ширину запрещенной зоны.

По значениям ширины запрещенной зоны все вещества также можно разделить на диэлектрики, полупроводники и проводники. Если ширина запрещенной зоны больше 3 эВ, то вещество относится к диэлектрикам. Если ширина запрещенной зоны меньше 3 эВ, то вещество считается полупроводником. У проводников запрещенная зона отсутствует совсем.

Среди различных полупроводников в электронной технике наиболее широкое применение нашли три вещества: германий, кремний и арсенид галлия. Их основные свойства приведены в табл. 1 Из этой таблицы следует, что наименьшее значение ширины запрещенной зоны имеет германий, а наибольшее значение — арсенид галлия. Кремний занимает промежуточное положение.

Применение германия ограничено малой шириной запрещенной зоны, что приводит к большому току утечки при повышении температуры. Наиболее широкое рас­пространение в полупроводниковой электронике получил кремний, который имеет умеренно широкую запрещенную зону и высокую температуру плавления. Самую широкую запрещенную зону имеет арсенид галлия. Он также имеет высокую подвижность носителей зарядов и высокую температуру плавления. Главным недостатком арсенида галлия является малое время жизни неосновных носителей зарядов.

Рис. 1 Энергетическая зонная диаграмма полупроводника

Германий и кремний относятся к элементам четвертой группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Атомы этих элементов имеют по четыре валентных электрона. Арсенид галлия GaAs состоит из соединения элементов третьей группы Ga и пятой группы As. Так как атомы третьей группы имеют три валентных электрона, а атомы пятой группы — пять, то среднее число валентных электронов у этого соединения тоже четыре.

Таблица 1. Свойства полупроводниковых материалов
Материал полупроводника	Ge	Si	GaAs
Ширина запрещенной зоны, эВ	0,66	1,11	1,42
Концентрация собственных носителей, см^-3	2,4×10^13	1,4×10^10	1,8×10^6
Подвижность дрейфа, см^2/В с
электронов
дырок
Время жизни неосновных носителей, с	10^-3	2,5.10^-3	10^-8
Теплопроводность, Вт/Ксм	0,6	1,45	0,46
Температура плавления,°С

Дата добавления: 2014-01-13