2

_Cwletenla tuboniioryjiic zfizyki

Półprzewodniki samoistne

Ciała stałe ze względu na ich właściwości elektryczne dzielimy na trzy grupy:

•    przewodniki, w których stany zapełnione sąsiaduj:) bezpośrednio ze stanami pustymi (np. metale)

•    izolatory, w których najmniejsza energetyczna odległość między stanami zapełnionymi elektronami i pustymi, zwana przerwą energetyczną (E^) jest duia, tzn. większa ni* 2 eV (np. dla diamentu wynosi ona 5,4 cV)

•    półprzewodniki, w których przerwa energetyczna jest mniejsza ni* 2 eV, ale większa ni* 0.1 cV (np. dla krzemu wynosi 1.1 cV).

Na rys. 18.1 przedstawiono schematycznie strukturę pasmową tych materiałów oraz ich obsadzenie elektronami w temperaturze zera bezwzględnego.

W wyższych temperaturach wskutek oddziaływania elektronów z termicznymi drganiami sieci kryształu część z nich może uzyskać energię wystarczająco dużą, aby przejść z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa i brać udział w przewodnictwie prądu elektrycznego. Aby elektron uczestniczył w przewodnictwie prądu elektrycznego, musi pobierać energię od przyłożonego z zewnątrz pola elektrycznego, a to jest możliwe tylko wówczas, gdy znajdzie się on w paśmie przewodnictwa. Elektrony takie nazywamy swobodnymi, gdyż mogą poruszać się po całym krysztale.

PV IStany lzapełnton

Stany puste

Stany

puste

E,

		PP	Stany puste
1 pv | Stany \		c-.:P,y	Stany
et 1 zapełnione!			[zapełnione

IZOLATOR PÓŁPRZEWODNIK    PRZEWODNIK

Rys. 18.1. Struktura pasmowa ciał stałych w T = 0 K: pp - pasmo pizcwodnlctwa, pv - pasmo walencyjne, E₍ - przerwa zabroniona

Wydajność opisanego termicznego procesu wzbudzenia elektronu do pasma przewodnictwa bardzo silnie zależy od wartości przerwy energetycznej:

• przy jej praktycznym braku (jak w przewodnikach) już w temperaturze kilkudziesięciu stopni Kelwina wszystkie elektrony biorą udział w przewodnictwie

[> gdy jest ona bardzo duża (juk w izolatorach), nawet w temperaturach rzędu kilkuset stopni Celsjusza, elektronów swobodnych w ciele stałym jest tak mało, że praktycznie nic przewodzi ono prądu • natomiast w półprzewodnikach, gdzie przerwa energetyczna jest mniejsza, już w temperaturze pokojowej część elektronów Jest przeniesiona do pasma przewodnictwa, co umożliwia przepływ prądu.

_.Należy zaznaczyć, że ilość swobodnych elektronów w półprzewodniku jest

stosunkowo mała. Dlatego dalsze ogrzewanie półprzewodnika wymusza generację kolejnych elektronów swobodnych I następuje silny wzrost przewodnictwa, np. ogrzewając czysty krzem od 0 do 200*C, obserwujemy wzrost jego przewodnictwa od 10 ' do 10'¹ fY¹ cm'¹, a więc o pięć rzędów wielkości. Ta silna zależność koncentracji nośników ładunku od temperatury jest specyficzną właściwością półprzewodników odróżniającą je od metali, w których koncentracja swobodnych elektronów jest praktycznie stała, niezależna od temperatury.

*_m.

m_m.

a_a.

Rys. 18.2. Termiczna generacja noinłków ładunku w półprzewodniku samoistnym    •

(model pasmowy)

Przejście elektronu z pasma walencyjnego w półprzewodniku do pasma przewodnictwa oznacza w modelu energetycznym (rys. 18.2) pojawienie się w paśmie walencyjnym wolnego stanu (nieobsadzonego elektronem) zwanego dziurą. Wytworzona dziura może zostać zajęta przez jeden z sąsiednich związanych elektronów i w rezultacie przesunąć się w inne miejsce, jest więc ona nośnikiem nie-skompensowanego dodatniego ładunku elementarnego. W obecności zewnętrznego pola elektrycznego dziury będą poruszać się w kierunku pola, a wolne elektrony w kierunku przeciwnym. W ten sposób w półprzewodniku występują obok siebie dwa niezależne nośniki prądu. Z omówionego mechanizmu generacji nośników ładunku (rys. 18.2) wynika, że w półprzewodniku powinno być tyle samo elektronów w paśmie przewodnictwa i dziur w paśmie walencyjnym, gdyż w wyniku każdego pojedynczego aktu generacji powstaje para nośników elektron - dziura. Właściwość tę ma każdy czysty materiał półprzewodnikowy o niezaburzonej strukturze krystalicznej. Półprzewodniki takie nazywamy samoistnymi. W ćwiczeniu badamy właściwości elektryczne samoistnego kryształu germanu.