Электрический ток в полупроводниках

К полупроводникам относят класс веществ, которые по сво­им электрическим свойствам находятся между проводниками и диэлектриками.

Так удельное сопротивление полупроводников лежит в ин­тервале от 10^-8 Ом • 9

до 10⁸ Ом • м (т.е. больше, чем у про­водников, но меньше, чем у диэлектриков). В научном и практи­ческом отношении наибольший интерес представляют твердые полупроводники. К ним относятся германий, кремний, теллур, селен и другие вещества. Было обнаружено, что проводимость полупроводников сильно зависит от температуры и освещенно­сти, а также от степени чистоты вещества (наличия примесей).

Собственная проводимость полупроводников

Рассмотрим подробнее, как образуются подвижные носите­ли электрического тока в чистых полупроводниках на примере германия или кремния.

У атома этих элементов на внешней оболочке имеется по че­тыре валентных электрона. В твердом состоянии эти вещества имеют кристаллическую решетку типа алмаза, в которой каждый атом имеет четыре ближайших соседа. Связь между соседними атомами в такой решетке ковалентная, т.е. два соседних атома объединяют два своих валентных электрона (по одному от ка­ждого атома), которые образуют пару. Ковалентная связь ато­мов германия или кремния схематически показана на рис. 1, где пространственная решетка условно изображена плоской. Даже при комнатной температуре в кристаллах есть электроны, обла­дающие избыточной энергией, которой оказывается достаточно для отрыва их от атома.

Эти электроны становятся свободными в пределах вещества. При переходе электрона в свободное состояние в оболочке ато­ма полупроводника остается свободное место, которое принято называть дыркой (рис. 1). Поскольку до отрыва электрона атом был нейтрален, то после отрыва он приобретает положительный заряд, который приписывают дырке.

Так как соседние атомы полупроводника непрерывно обме­ниваются электронами, то дырку у атома может заполнить элек­трон другого атома, у которого в свою очередь появляется дыр­ка. Таким образом дырки, обладающие положительным зарядом, совершают в полупроводнике такое же хаотическое движение, как и свободные электроны. Поэтому дырки в полупроводнике условно считают подвижными носителями зарядов.

Очевидно, что количество дырок и электронов в чистом по­лупроводнике одинаково (n_е = n_р) (дырке присвоен символ р от слова "positiv" — положительный). При наложении внешнего по­ля электроны и дырки будут создавать электрический ток, дви­гаясь в противоположных направлениях (электроны — против поля, дырки — по направлению поля). Поэтому проводимость чистых полупроводников называют электронно-дырочной прово­димостью.

При повышении температуры полупроводника увеличивает­ся количество электронов, обладающих избыточной энергией и вследствие этого становящихся свободными, а следовательно, увеличивается и количество дырок. Увеличение концентрации носителей тока означает увеличение проводимости полупровод­ника, а следовательно, уменьшение его сопротивления. То же происходит и при освещении полупроводников.

Таким образом, можно выделить основные свойства полу­проводников:

1) Проводимость чистых полупроводников является электрон­но- дырочной.

2) При увеличении температуры полупроводника его сопроти­вление уменьшается.

Существует еще одно свойство полупроводников, которое мы подробно разберем в следующем пункте.

3) Проводимость полупроводников резко возрастает при внесе­нии примеси.