Электропроводность полупроводника

Свойства полупроводника

Германий и кремний, являющиеся исходными материалами многих современных полупроводниковых приборов, имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона. Только эти четыре валентных электрона атомов этих полупроводников, могут, да и то не всегда, стать свободными.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Они к тому же расположены настолько близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, связывая их в единое вещество.

Рис. 1. Схема взаимосвязи атомов в кристалле полупроводника

Электропроводность полупроводника

Электропроводность полупроводника

При температуре, близкой к абсолютному нулю, полупроводник ведет себя как абсолютный непроводник, потому что в нем нет свободных электронов. При повышении температуры связь валентных электронов с атомными ядрами ослабевает и некоторые из них вследствие теплового движения могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится свободным, а там, где он был до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.

Рис. 2. Упрощенная схема структуры полупроводника

Причиной возникновения тока служит напряжение, приложенное к полупроводнику. Вследствие тепловых явлений во всей массе полупроводника высвобождается из межатомных связей некоторое количество электронов. Электроны, освободившиеся вблизи положительного полюса источника напряжения, притягиваются этим полюсом и уходят из массы полупроводника, оставляя после себя дырки. Электроны, ушедшие из межатомных связей, на некотором удалении от положительного полюса тоже притягиваются им и движутся в его сторону. Но встретив на своем пути дырки, электроны как бы «впрыгивают» в них (рис. 3, а), происходит заполнение некоторых межатомных связей. А ближние к отрицательному полюсу дырки заполняются другими электронами, вырвавшимися из атомов, расположенных еще ближе к отрицательному полюсу (рис. 3, б). Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс продолжается: нарушаются одни межатомные связи – из них уходят валентные электроны, возникают дырки – и заполняются другие межатомные связи – в дырки «впрыгивают» электроны, освободившиеся из каких-то других межатомных связей (рис. 3, г).

Рис. 3. Схема движения электронов и дырок в полупроводнике

При температуре выше абсолютного нуля в полупроводнике непрерывно возникают и исчезают свободные электроны и дырки даже тогда, когда нет внешних электрических полей. Но они движутся хаотически в разные стороны и не уходят за пределы полупроводника. В чистом полупроводнике число высвободившихся в каждый момент времени электронов равно числу образующихся при этом дырок. Такая электропроводность называется собственной.

Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.