Собственная проводимость полупроводников.

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. 3.46).

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 (см. рис. 3.43).

О бразование 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. 3.46).

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 парноэлектронную 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.

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 л-типа¹), и дырочная, обусловленная движением дырок (проводимость р-типа²).

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.

Примесная электропроводность полупроводников.

Собственная проводимость полупроводников обычно неве­лика, так как мало число свободных электронов. Например, в германии при комнатной температуре п = 3∙10¹³ см^-3. В то же время число атомов германия в 1 см³ порядка 10²³. Таким образом, число свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов. Соб­ственная проводимость полупроводников имеет некоторое сходство с проводимостью водных растворов или расплавов электролитов. И в том, и в другом случае возникновение сво­бодных носителей заряда обусловлено тепловым движением. Поэтому и у полупроводников, и у водных растворов или рас­плавов электролитов наблюдается увеличение проводимости с ростом температуры.

Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной прово­димостью возникает дополнительная — примесная про­водимость. Изменяя концентрацию примеси, можно зна­чительно изменить число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей. Эта способность полу­проводников и открывает широкие возможности для их прак­тического применения.