Реферат: Температурная зависимость проводимости полупроводника

Итак, с феноменологической точки зрения полупроводники отличаются от металлов тем, что в полупроводниках с повышением температуры проводимость очень быстро растет. Физическая причина этого заключается в увеличении темпа тепловой генерации электронно-дырочных пар с ростом температуры. Если прологарифмировать выражение (8), то оно примет вид

(9)

Следовательно, если на графике по оси ординат откладывать lns , а по оси абцисс - обратную температуру, то получим прямую с наклоном E_g /2k , как показано на рис. 2. Таким образом, зная наклон этой прямой можно определить важнейшую характеристику полупроводника - ширину запрещенной зоны. Определяемую таким образом величину Eg называют термической шириной запрещенной зоны, поскольку ее еще определяют и из оптических измерений по спектрам поглощения излучения и вычисляют Eg, на основании выражения (9).

Рис. 2. Температурная зависимость проводимости собственного полупроводника

Наиболее важные элементарные полупроводники и полупроводниковые соединения приведены в таблице.

Изоляторы, у которых ширина запрещенной зоны достаточно велика для того, чтобы ни один электрон, находящийся в валентной зоне, не мог ни при какой температуре, вплоть до температуры плавления, переброситься в зону проводимости, называются диэлектриками. Диэлектрики имеют очень высокое электрическое сопротивление. В полупроводниковой электронике большое практическое значение имеют диэлектрики, представляющие собственные оксиды полупроводников. Для кремния - это двуокись кремния SiO₂ , имеющая ширину запрещенной зоны 8 эВ.

Оценки показывают, что при ширине запрещенной зоны E_g > 2 эВ вероятность тепловой генерации электронно-дырочных пар становится бесконечно малой при всех доступных нам температурах, поэтому к диэлектрикам можно отнести все изоляторы, у которых E_g > 2 эВ. Однако следует помнить, что такая классификация подходит только к ІчистымІ беспримесным веществам, поскольку легирование диэлектриков, например, алмаза (_Eg = 5,3 эВ) приводит к возникновению у них проводимости, характерной для полупроводников.

Существуют еще интересные с точки зрения зонной структуры кристаллы, которые имеют большое практическое значение.

Нередки случаи, когда при Т = 0 К зоны перекрываются очень незначительно. Благодаря этому число электронов и пустых мест в частично заполненных зонах очень мало: 10^-3 - 10^-5 на атом. Такие вещества обладают промежуточными между металлами и полупроводниками свойствами: при низких температурах они ведут себя, как металлы, а при высоких - как полупроводники. Их часто называют полуметаллами. Концентрация электронов в них изменяется в широких пределах n = 10¹⁸ -10²¹ см^-3 . Характерными примерами таких веществ могут служить висмут, сурьма.

Сравнительно недавно был обнаружен особый класс веществ, строго занимающий промежуточное положение между металлами и полупроводниками - бесщелевые полупроводники - кристаллы, у которых расстояние между валентной зоной и зоной проводимости равно нулю. В бесщелевых полупроводниках нижняя заполненная электронами зона примыкает к верхней зоне, в которой при Т = 0 К вовсе нет электронов. К бесщелевым полупроводникам относятся теллурид ртути HgTe, а также серое олово a-Sn.

Следует отметить, что изменяя межатомное расстояние в полупроводниковых кристаллах под давлением, можно добиться перекрытия валентной зоны и зоны проводимости. При этом рассматриваемое вещество превратится из полупроводника в металл. Возможен и обратный случай - возникновение запрещенной зоны и переход металла в полупроводник при достаточно сильном изменении давления на образец. С ростом температуры кристалла за счет теплового расширения постоянная решетки увеличивается. Поэтому при повышении температуры у полупроводников, как правило, запрещенная зона уменьшается; в не слишком широкой области температур это уменьшение аппроксимируется линейным законом

При комнатной температуре ширина запрещенной зоны с ростом давления в Ge и GaAs увеличивается, а в Si - уменьшается.

Литература

1. Савельев И. В. Курс общей физики, T.5.-М.: Физматлит, 1998.

2. Киреев П.С. Физика полупроводников. –М.: Высшая школа, 1975.

3. Левинштейн. М. Е, Симин Г. С. Знакомство с полупроводниками. М.: Наука, 1984. 240 с.