Собственная проводимость полупроводников. При нагревании германия энергия валентных электронов увеличивается за счет энергии тепловых колебаний атомов ре­шетки

При нагревании германия энергия валентных электронов увеличивается за счет энергии тепловых колебаний атомов ре­шетки. При этом энергия некоторых электронов (даже при на­гревании до сравнительно невысоких температур) может уве­личиться настолько, что связи не выдерживают и рвутся. В ре­зультате отдельные электроны покидают свои «проторенные пути» и становятся свободными, подобно электронам в металлах. Без внешнего поля эти электроны движутся хаоти­чески. Под действием внешнего электрического поля они пе­ремещаются упорядоченно между узлами кристаллической решетки, образуя электрический ток (рис. 3).

Проводимость полупроводников, обусловленная наличием у них свободных электронов, называется электронной про­водимостью. При повышении температуры число разор­ванных ковалентных связей, а следовательно, и число свобод­ных электронов в кристаллах увеличивается. Это и приводит к уменьшению удельного сопротивления.

Образование свободного электрона влечет за собой появле­ние свободного (вакантного) места — электронной дырки — в нарушенной ковалентной связи. В дырке имеется избыточ­ный положительный заряд по сравнению с остальными, нор­мальными связями (см. рис. 3).

Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из элект­ронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на мес­то образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парно-электронную связь, а там, откуда перескочил электрон, обра­зуется новая дырка. Эту дырку может занять какой-либо другой электрон. Таким образом, благодаря перемещению электронов связи происходит перемещение дырок по всему кристаллу.

Характер движения дырки в крис­талле можно уяснить из следующей аналогии. Пусть один из солдат вы­шел из шеренги. При этом образова­лась «вакансия». Если все стоящие справа солдаты будут последователь­но перемещаться на освободившееся место, то все будет происходить так,

Рис.3

как будто свободное место передвигается в сторону, противо­положную перемещению солдат.

При отсутствии внешнего поля перемещение дырок, равно­ценное перемещению зарядов, происходит хаотически и по­этому не создает электрического тока. Под действием внешне­го электрического поля происходит упорядоченное перемеще­ние дырок в направлении линий напряженности поля, т. е. в направлении, противоположном перемещению электронов связи. Рассмотренный процесс называется дырочной проводимостью.

Таким образом, в чистых (без примесей) полупроводни­ках возможна электронная проводимость, обусловленная движением свободных электронов (проводимость n-типа), и дырочная, обусловленная движением дырок (проводимость р-типа).

Такого рода проводимость называют собственной проводимостью полупроводников.

При нарушении ковалентных связей в кристалле одновре­менно в одинаковом количестве возникают свободные электро­ны и дырки. В результате теплового движения, с одной сто­роны, происходит образование пар электрон – дырка, а с дру­гой – их частичное воссоединение (рекомбинация). При дан­ной температуре в единице объема кристалла число пар в среднем остается постоянным.

Задание

1. Объясните, почему при нагревании германия уменьшается его удельное сопротивление.

2. Что такое дырка? Какой заряд она имеет?

3. Как движутся дырки при отсутствии и при наличии внешнего электрического поля?

4. Дайте понятие собственной проводимости полупроводников.