Электрический ток в полупроводниках
Полупроводники по удельной проводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
Электрические свойства веществ
Полупроводники от металлов отличают по ряду признаков:
1. удельное сопротивление у полупроводников при обычных условиях гораздо больше, чем у металлов;
2. удельное сопротивление чистых полупроводников уменьшается с ростом температуры (у металлов оно растет);
3. при освещении полупроводников их сопротивление значительно уменьшается (на сопротивление металлов свет почти не влияет);
4. ничтожное количество примесей оказывает сильное влияние на сопротивление полупроводников.
К полупроводникам принадлежат 12 химических элементов
Виды проводимости
Строение полупроводниковых кристаллов
Структура германия
Германий — четырехвалентный элемент, во внешней оболочке атома есть четыре электрона, слабее связанных с ядром, чем остальные. Число ближайших соседей каждого атома германия также равно 4. Четыре валентных электрона каждого атома германия связаны с такими же электронами соседних атомов химическими парноэлектронными (ковалентными) связями. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы германия друг возле друга. Такого рода связь условно может быть изображена двумя линиями, соединяющими ядра.
Электропроводимость химически чистого полупроводника возможна в том случае, когда ковалентные связи в кристаллах разрываются и появляются свободные электроны.
Дополнительная энергия, которая должна быть затрачена, чтобы разорвать ковалентную связь и сделать электрон свободным, называется энергией активации.
Получить эту энергию электроны могут при нагревании кристалла, при облучении его высокочастотными электромагнитными волнами и т.д.
Как только электрон, приобретя необходимую энергию, уходит с локализованной связи, на ней образуется вакансия. Эту вакансию может легко заполнить электрон с соседней связи, на которой, таким образом, также образуется вакансия. Таким образом, благодаря перемещению электронов связи происходит перемещение вакансий по всему кристаллу. Эта вакансия ведет себя точно так же, как и свободный электрон — она свободно перемещается по объему полупроводника. Более того, учитывая, что и полупроводник в целом, и каждый его атом при не нарушенных ковалентных связях электрически нейтральны, можно сказать, что уход электрона со связи и образование вакансии фактически эквивалентно появлению на этой связи избыточного положительного заряда. Поэтому образовавшуюся вакансию можно формально рассматривать как носитель положительного заряда, который называют дыркой.
Энергия активации
Таким образом, уход электрона с локализованной связи порождает пару свободных носителей заряда — электрон и дырку. Их концентрация в чистом полупроводнике одинакова. При комнатной температуре концентрация свободных носителей в чистых полупроводниках невелика, примерно в 109 ÷ 1010 раз меньше концентрации атомов, но при этом она быстро возрастает с увеличением температуры.
Сравните с металлами: там концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов.
В отсутствие внешнего электрического поля эти свободные электроны и дырки движутся в кристалле полупроводника хаотически.
Во внешнем электрическом поле электроны перемещаются в сторону, противоположную направлению напряженности электрического поля. Положительные дырки перемещаются в направлении напряженности электрического поля. Процесс перемещения электронов и дырок во внешнем поле происходит по всему объему полупроводника.
Собственная проводимость = электронная + дырочная |
Общая удельная электропроводность полупроводника складывается из дырочной и электронной проводимостей. При этом у чистых полупроводников число электронов проводимости всегда равно числу дырок. Поэтому говорят, что чистые полупроводники обладают электронно-дырочной проводимостью, или собственной проводимостью.