Образование носителей заряда в собственных полупроводниках

Беспримесный и бездефектный полупроводник с идеальной кристаллической решеткой называется собственным полупроводником.

В собственном полупроводнике при температуре абсолютного нуля нет свободных носителей заряда, так как каждый валентный электрон связан с кристаллической решеткой ковалентными связями. Если такой кристалл поместить в электрическое поле, то ток в нем не возникнет. Таким образом, полупроводник при температуре 0 К ведет себя как диэлектрик.

Если нарушить идеальную структуру кристаллической решетки (например, передать электронам тепловую энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей), то это приведет к одновременному образованию свободного электрона и незаполненной связи вблизи того атома, от которого оторвался электрон (рис. 4, атом под номером 4).

а

б

Рис. 4. Образование носителей заряда в полупроводнике:

а – модель ковалентной связи; б – зонная модель

Под действием тепловых колебаний свободный электрон хаотически перемещается между атомами кристаллической решетки. А что происходит с разорванной связью? Любой из электронов, связывающих атомы 4 и 5 с соседними атомами, может попасть на траекторию, с которой был выбит электрон, и восстановить полноценную связь между 4 и 5 атомами. Если, например, это произошло с электроном, связывающим атомы 4 и 7, то разорванная связь переместится в положение между ними. Получается, что разорванная связь подобно электрону хаотически перемещается между атомами.

Таким образом, у кристалла появляется не одна, а две возможности проводить ток. Первая – это движение свободного электрона, например, под действием электрического поля. Вторая – направленное перемещение электронов с орбит соседних атомов на место образовавшейся пустой связи. Этот второй механизм электропроводности удобнее описывать как движение фиктивной положительной частицы, дырки, которая перемещается в направлении, противоположном движению электрона. Процесс образования электронно-дырочных пар под действием фононов носит название термогенерации. Количественно он характеризуется равенством концентраций дырок и электронов: . Полупроводники с такими свойствами называют собственными, а их проводимость – собственной (i – intrinsic – собственный).

Образование свободных носителей заряда с точки зрения зонной модели полупроводника связано с переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. Для осуществления такого перехода электрон должен получить энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны полупроводника. Эту энергию электрон получает, например, от квантов тепла, а значит энергия фононов, не должна быть меньше ширины запрещенной зоны полупроводника.

Уход электронов в зону проводимости из валентной зоны приводит к появлению в ней незаполненного энергетического уровня. Вакантное место в валентной зоне принято называть дыркой (рис. 4, б), а сам процесс – генерацией носителей заряда, они при этом образуются парами. Наряду с генерацией происходит и процесс возвращения электронов из зоны проводимости в валентную зону на свободные уровни. При этом исчезают электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Такое явление называют рекомбинацией носителей заряда.

В присутствии электрического поля валентные электроны соседних атомов могут переходить на свободные уровни, создавая дырки в другом месте, что может рассматриваться как движение положительно заряженных частиц – дырок. С точки зрения зонной модели электрический ток в полупроводнике связан с движением дырок в валентной зоне и электронов в зоне проводимости, причем ток дырок равен току электронов.