 | Собственная проводимость полупроводников |  |
Проводимость полупроводников, обусловленная основными носителями
Описание При T=0 K все собственные электроны полупроводника находятся в валентной зоне, целиком заполняя её (рис. 1). Энергетическое распределение электронов в валентной зоне при нулевой температуре 
Рис. 1 С повышением температуры тепловое движение "выбрасывает" в зону проводимости электроны из валентной зоны, при этом в валентной зоне остаются "пустые" состояния, которые называются дырками (рис. 2). Энергетическое распределение электронов в валентной зоне и зоне проводимости при ненулевой температуре 
Рис. 2 Собственной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная движением под действием электрического поля одинакового числа свободных электронов и дырок, образовавшихся вследствие перехода электронов полупроводника из валентной зоны в зону проводимости. В идеальном полупроводнике при собственной проводимости концентрации электронов (ni) и дырок (pi) равны и много меньше числа уровней в валентной зоне и зоне проводимости. Поэтому свободные электроны занимают уровни вблизи дна зоны проводимости Ec, а свободные дырки - вблизи потолка валентной зоны Ev (рис. 1). При этом: ni = pi = A exp(-DE/2kT), (1) где A=4,82Ч1015T 3/2(mn*mp*/m2)3/4; mn*, mp* - эффективные массы электрона и дырки; m - масса электрона; k - постоянная Больцмана; DE - ширина запрещенной зоны полупроводника; T - абсолютная температура (дыркам приписывается эффективная масса mp, равная по абсолютной величине эффективной массе того электрона, который занял бы это валентное состояние, но с противоположным знаком; эффективная масса электрона в валентной зоне вблизи Ev отрицательна). В общем случае эффективная масса зависит от направления движения носителя, что отражает анизотропию кристалла. Для образования пары электрон-дырка, т.е. для возникновения собственной проводимости необходимо, чтобы температура полупроводника была отлична от нуля. Для Ge, например (DE=0,785 эВ), при Т=300 К ni=pi@2,5Ч1019 м-3. Величина собственной проводимости:  , (2)
где mn, mp - подвижности электронов и дырок, связанные с временем их свободного пробега (tn, tp): mn = etn /mn*, ... mp = etp /mp*. При Т=300 К s = 2,1 Ом-1м-1 для Ge (mn = 0,37 м2/ВЧс; mp = 0,18 м2/ВЧс); s = 2Ч10-4 1Ом-1м-1 для Si (mn = 0,17 м2/ВЧс; mp = 0,025 м2/ВЧс). Собственная проводимость наблюдается только в очень чистых (без примесей) и совершенных (без дефектов) полупроводниках, в основном при достаточно высоких температурах. Временные характеристики Время инициации (log to от -3 до 2); Время существования (log tc от -3 до 15); Время деградации (log td от -3 до 2); Время оптимального проявления (log tk от -1 до 1). Диаграмма: 
Технические реализации эффекта Термистор Техническая реализация - термистор (терморезистор). В среде с температурой T находится образец собственного полупроводника, например, Ge. Измеряя зависимость проводимости образца от температуры, убеждаемся, что при охлаждении проводимось уменьшается. Если построить эту зависимость в логарифмических координатах, то видно, что она стремится к нулю при абсолютном нуле температуры. Применение эффекта Использующие явление собственной проводимости термисторы используются как датчики температуры. Принцип действия такого датчика основан на изменении тока в цепи датчика при нагреве вследствие явления собственной проводимости: Jдатчика = s(T)ЧE, где E - поле внутри полупроводника. Литература  1. Физический энциклопедический словарь.- М., 1982.
2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов.- М.: Мир, 1984. |