В. Полупроводники.

1. Чистые полупроводники. При небольшой ширине (от нескольких десятых долей эВ до 1,5 эВ) запрещенной зоны ΔЕ_g, отделяющей заполненную электронами валентную зону от соседней свободной зоны (рис.5б) при определенных температурах Т_с , называемых температурами собственной проводимости, энергия теплового хаотического движения молекул оказывается достаточной для того, чтобы перевести ("перебросить") часть электронов из валентной зоны в верхнюю свободную зону. Электроны, "переброшенные" в эту зону, находятся в условиях, в которых находятся валентные электроны металлов (вблизи заполненных уровней имеются незаполненные). Свободная зона является для них зоной проводимости. Одновременно становятся возможными переходы электронов внутри валентной зоны на освободившиеся в ней (вакантные) верхние уровни.

Вещества, имеющие описанные выше свойства, относятся к группе чистых, беспримесных полупроводников. А проводимость полупроводников, обусловленная "перебросом" электронов из валентной зоны в зону проводимости полупроводника, в результате теплового возбуждения этих электронов, называется собственной электропроводностью. Вакантное место с недостающим электроном в системе квантовых состояний называют дыркой. Движение электронов в валентной зоне по величине возникающей силы тока эквивалентно движению дырок в направлении, противоположном движению электронов.

Электроны, ускоренные внешним электрическим полем, переходят с более низких уровней на более высокие уровни зоны проводимости, приобретая скорость в направлении, противоположном направлению напряженности внешнего электрического поля.

Итак, в чистом (беспримесном) полупроводнике при температурах, равных или больших Т_с, проводимость осуществляется в зоне проводимости – электронами (поставляемыми из валентной зоны), в валентной зоне – дырками.

2. Примесные полупроводники. Величину электропроводности σполупроводника могут существенно изменить некоторые примеси, внесенные в кристаллическую решетку даже в небольшом количестве.

В металлах примеси снижают электропроводность, а в полупроводниках они могут сыграть совсем другую роль.

Атомы примеси имеют свою систему энергетических уровней. Эти уровни накладываются на энергетический спектр (совокупность энергетических зон) основы. При этом уровни примеси могут "попасть" в зону запрещенных энергий основы, отделяющую валентную зону от зоны проводимости основы. Причем в этот запрещенный промежуток могут попасть и уровни, заполненные электронами, и возбужденные незаполненные уровни атомов примеси.

Рис.6.

Если заполненные электронами уровни атомов примеси располагаются вблизи зоны проводимости основы ΔЕ₁<<ΔЕg (рис.6а), электроны с этих уровней, получив энергию ΔЕ₁ – энергию активации, могут перейти в зону проводимости основы. Такие уровни называются донорными(отдающими свои электроны в зону проводимости основы), а примеси с донорными уровнями называются донорами. Это примеси n-типа; в них основные носители тока – электроны, а проводимость – электронная.

Если в запрещенную зону основы вблизи от ее заполненной зоны попадает незаполненный возбужденный уровень примесного атома (рис.6б), электроны валентной зоны основы, получив энергию ΔЕ₂ (энергию активации), намного меньшую, чем ширина щели запрещенной энергии ΔЕg (ΔЕ₂<<ΔЕg), могут перейти из заполненной валентной зоны основы на этот незаполненный возбужденный уровень примеси. Для переброса электрона через всю щель ΔЕg возбуждения ΔЕ₂ явно недостаточно. Уровни примесных атомов, "принимающие" электроны основы из валентной зоны, называются акцепторными, а примеси, соответственно, акцепторами.

После ухода электрона из валентной (ранее заполненной) зоны на акцепторный уровень, в этой зоне остается незаполненный уровень (вакантное место) – дырка, которой приписывается положительный заряд (недостаток отрицательного заряда в системе квантовых состояний рассматривается как избыток равного по модулю положительного заряда).

Под действием внешнего электрического поля (или другого направленного воздействия) на место ушедшего на акцепторный уровень электрона, т.е. на дырку, может перейти электрон с более низкого уровня валентной зоны основы, вновь "освобождая" уровень и оставляя за собой дырку. Таким образом, дырка ведет себя как положительный заряд, движущийся в направлении, обратном направлению движения электронов в валентной зоне основы. Поэтому акцепторные примеси называют примесями р-типа (в них носителями заряда являются положительные заряды – дырки), а их проводимость называют дырочной.

В беспримесных полупроводниках проводимость электронно-дырочная при температурах, равных и выше температуры собственной проводимости Т_с. В них под действием внешнего электрического поля в зоне проводимости перемещаются электроны, а в валентной зоне в направлении, противоположном движению электронов, перемещаются дырки. При этом собственная проводимость полупроводников имеет слабо выраженный электронный характер. (Объяснение этого дано в следующем параграфе).