4. Електричний струм в напівпровідниках. Електронна і діркова провідність

В ідмінність провідників від напівпровідників особливо виявляється при аналізі залежності їх електропроводімості від температури. Дослідження показують, що в ряду елементів (кремній, германій, селен і ін.) і з'єднань (PbS, CdS, GaAs і ін.) питомий опір із збільшенням температури не зростає, як в металів (рис.16.3), а, навпаки, надзвичайно різко зменшується (рис.16.4). Такі речовини і називають напівпровідниками.

З графіка, змальованого на малюнку, видно, що при температурах, близьких до абсолютного нуля, питомий опір напівпровідників дуже великий. Це означає, що при низьких температурах напівпровідник поводиться як діелектрик. У міру підвищення температури його питомий опір швидко зменшується.

   Будова напівпровідників. Для того, щоб включити транзисторний приймач, знати нічого не треба. Але щоб його створити, треба було знати дуже багато і володіти неабияким талантом. Зрозуміти ж у загальних рисах, як працює транзистор, не так вже і важко. Спочатку необхідно познайомитися з механізмом провідності в напівпровідниках. А для цього доведеться вникнути в природу зв'язків, що утримують атоми напівпровідникового кристала один біля одного.

   Для прикладу розглянемо кристал кремнію.

   Кремній – чотиривалентний елемент. Це означає, що в зовнішній оболонці його атома є чотири електрони, порівняно слабо пов'язаних з ядром. Число найближчих сусідів кожного атома кремнію також рівне чотирьом. Взаємодія пари сусідніх атомів здійснюється за допомогою парноелектронного зв'язку, який називають ковалентним зв'язком. У утворенні цього зв'язку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону, які відділяються від атома, якому вони належать і при своєму русі велику частину часу проводять в просторі між сусідніми атомами. Їх негативний заряд утримує позитивні іони кремнію один біля одного.

   Кожен атом утворює чотири зв'язки з сусідніми, і будь-який валентний електрон може рухатися по одній з них. Дійшовши до сусіднього атома, він може перейти до наступного, а потім далі уздовж всього кристала. Валентні електрони належать всьому кристалу.

   Парноелектронні зв'язки в кристалі кремнію досить міцні і при низьких температурах не розриваються. Тому кремній при низькій температурі не проводить електричний струм. Валентні електрони, що беруть участь в зв'язку атомів є як би «цементуючим розчином», що утримує кристалічні грати, і зовнішнє електричне поле не робить помітного впливу на їх рух. Аналогічну будову має кристал германію.

   Електронна провідність. При нагріванні кремнію кінетична енергія частинок підвищується, і настає розрив окремих зв'язків. Деякі електрони стають вільними, подібно до електронів в металі. У електричному полі вони переміщаються між вузлами грат, створюючи електричний струм.

   Провідність напівпровідників, обумовлену наявністю у них вільних електронів, називають електронною провідністю. При підвищенні температури число розірваних зв'язків, а значить, і вільних електронів збільшується. Це приводить до зменшення опору.

Діркова провідність. При розриві зв'язку між атомами напівпровідника утворюється вакантне місце. Його називають діркою. У дірці є надлишковий позитивний заряд в порівнянні з останніми, не розірваними зв'язками.

   Положення дірки в кристалі не є незмінним. Безперервно відбувається наступний процес. Один з електронів, що забезпечують зв'язок атомів, перескакує на місце дірки, що утворилася, і відновлює тут парноелектронную зв'язок, а там, звідки перескочив цей електрон, утворюється нова дірка. Таким чином, дірка може переміщатися по всьому кристалу.

   Якщо напруженість електричного поля в зразку дорівнює нулю, то переміщення дірок, рівноцінне переміщенню позитивних зарядів, відбувається невпорядковано і тому не створює електричного струму. За наявності електричного поля виникає впорядковане переміщення дірок, і, таким чином, до електричного струму вільних електронів додається електричний струм, пов'язаний з переміщенням дірок. Напрям руху дірок протилежний до напряму руху електронів.

   У відсутність зовнішнього поля на один вільний електрон ( – ) доводиться одна дірка ( + ). При накладенні поля вільний електрон зміщується проти напруженості поля. У цьому напрямі переміщається також один із зв'язаних електронів. Це виглядає як переміщення дірки у напрямі поля.

Отже, в напівпровідниках є носії заряду двох типів: електрони і дірки. Тому напівпровідники мають не лише електронну, але і діркову провідність.

   Ми розглянули механізм провідності чистих напівпровідників. Провідність за цих умов називають власною провідністю напівпровідників.

Провідність чистих напівпровідників (власна провідність) здійснюється переміщенням вільних електронів (електронна провідність) і переміщенням зв'язаних електронів на вакантні місця парноелектронних зв'язків (діркова провідність).

Питання для самостійної роботи студентів:

1. Електропровідність провідників, діелектриків та напівпровідників. Власна та домішкова провідності напівпровідників. Залежність провідності напівпровідників від температури і освітленості.

2. Термо– і фоторезистори.

3. Електронно – дірковий перехід.

4. Поняття про плазму.