7.2.Собственные и примесные полупроводники. Носители заряда в полупроводниках.

Как и в металлах, электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом носителей заряда. Но если в металлах наличие свободных электронов обусловлено самой природой металлической связи, то появление носителей заряда в полупроводниках определяется рядом факторов, важнейшими из которых являются химическая чистота материала и температура. В зависимости от степени чистоты полупроводники под-разделяют на собственные и примесные.

Под действием внешних факторов некоторые валентные электроны атомов кристаллической решетки приобретают энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей. Так, при любых температурах выше абсолютного нуля атомы твердого тела колеблются около узлов кристалли-ческой решетки, чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний. Время от времени энергия этих колебаний, отдельные флуктуации которой могут превышать ее среднее значение, сообщается какому либо электрону, в результате чего его полная энергия оказывается достаточной для перехода из валентной зоны в зону проводимости (рис 7.1.1,б). Этот процесс носит вероятностный характер.

В кристаллических полупроводниках, лишенных примесей и любых других дефектов строения (либо с концентрацией примесей настолько малой, что она не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника), в так называемых собственных полупроводниках, превра-щение валентного электрона в электрон проводимости сопровождается появлением свободного состояния (дырки) в ранее целиком заполненной валентной зоне, и остальные валентные электроны получают возможность переходить на освободившийся уровень энергии. Возникновение в резуль-тате энергетического воздействия в полупроводнике пары электрон – дырка называется генерацией носителей заряда. Возможен и обратный процесс – возвращение электрона из зоны проводимости в валентную зону приво-дящий к исчезновению свободного электрона и дырки. Такой процесс называется рекомбинацией носителей заряда. Поскольку в собственных полупроводниках электроны проводимости и дырки всегда возникают и исчезают парами, то их концентрации в таких полупроводниках одинаковы .n_i = p_i.

Дырка обладает положительным зарядом, поэтому она может присоединить к себе электрон соседней заполненной ковалентной связи. В результате этого восстанавливается одна связь (происходит рекомбинация) и разрушается соседняя или другими словами, заполняется одна дырка и одновременно с этим возникает новая в другом месте (рис. 7.2.1). Такой гене-рационно-рекомбинационный процесс непрерывно повторяется и дырка, переходя от одной связи к другой, будет перемещатьс я по кристаллу, что равносильно перемещению положительного заряда, равного по величине заряду электрона.

В о внешнем электрическом поле такая дырка движется в направлении противоположном направлению движения электрона проводимости, как если бы она обладала положительным зарядом. И во многих других отноше-ниях она ведет себя как положительно заряженная частица с зарядом равным заряду электрона.

В свою очередь, электрон, перешедший в зону проводимости, может перемещаться в веществе, а при наложении внешнего электрического поля, участвовать в электропроводности. То есть он становится электроном проводимости.