Собственный полупроводник

Рассмотрим распространенный полупроводник германий (Ge), представленный на рис. 2.

Рис. 2. Парно-электронные связи в кристалле германия

Атомы германия имеют четыре валентных электрона на внешней оболочке. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими атомами. Связи между атомами в кристалле германия образуются парами валентных электронов (электронов на внешней оболочке атома). Эти связи называют ковалентными. При комнатной температуре энергии валентных электронов недостаточно, чтобы разорвать связи в полупроводниках, поэтому свободные электроны отсутствуют, и такой кристалл электрического тока не проводит (свойство диэлектрика).

При повышении температуры полупроводника (при освещении или облучении электромагнитным полем) электроны могут получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны, и он будет проводить электрический ток. Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок». При заданной температуре в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией (восстановление связей).

В собственном полупроводнике число электронов равно числу дырок. Число электронов в единице объема называется концентрацией. Концентрация электронов обозначается как , а концентрация дырок как . При добавлении примеси в полупроводник концентрация свободных носителей сильно возрастает.

Примесные полупроводники по типу электропроводности делятся на два типа: с электронной проводимостью (n -тип) и с дырочной проводимостью (р -тип).

Примесный полупроводник с электронной проводимостью (n-тип)

Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия, который имеет четыре валентных электрона, добавляются атомы мышьяка (As) (фосфор, сурьма и др.), который имеет пять валентных электронов (рис. 3).

Рис. 3. Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник n-типа.

Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказывается излишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. При этом примесь, отдающая излишние электроны называется донорской примесью. Полупроводники с электронной проводимостью часто называют полупроводниками n-типа. В таком полупроводнике концентрация электронов намного больше концентрации дырок, . Электроны для полупроводника n -типа являются основными носителями свободных зарядов, а дырки – не основными носителями.