6.1.2.4. Рухливість носіїв струму. Електропровідність напівпровідника

У межах класичної електронної теорії електрони провідності за відсутності зовнішнього електричного поля в металах і напівпровідниках ведуть себе як молекули одноатомного ідеального газу, тобто рухаються хаотично. Теплові швидкості вільних електронів мають різноманітні напрямки і отже тепловий рух електронів не може привести до виникнення струму.

За наявності зовнішнього електричного поля, окрім теплового руху електронів провідності, виникає їх упорядкований рух, тобто виникає електричний струм. Густина струму j_n., обумовлена направленим рухом електронів, виражається через концентрацію електронів n і середню швидкість їх упорядкованого руху (швидкість дрейфу електронів).

j_n = e×n .

Згідно з класичною теорією провідності електрон у кінці вільного пробігу, зіткнувшись з іонами решітки, віддає їм накопичену в полі енергію, швидкість його впорядкованого руху стає рівною нулю, після чого увесь процес повторюється. Отже, середня швидкість направленого руху електрона, тобто швидкість дрейфу електронів пропорційна напруженості електричного поля:

=b_n E

де коефіцієнт пропорційності називається рухливістю носіїв струму:

b_n= .

Рухливість електронів чисельно дорівнює швидкості їх дрейфу в електричному полі одиничної напруженості.

Густину струму в електронному напівпровіднику виразимо:

j_n = e n b_n E ,

звідки видно, що густина струму пропорційна напруженості поля. Тобто маємо закон Ома в диференціальній формі, де коефіцієнт пропорційності між j_n і Е є питома електропровідність напівпровідника з електронною провідністю

s_n = e n b_п .

Аналогічно визначається рухливість b_p і питома електропровідність s_p діркового напівпровідника:

та s_p =e p b_р.

В області власної і змішаної провідності густини j_n і j_р електронного і діркового струмів додаються:

j = j_n+ j_p=sE,

питома електропровідність напівпровідника дорівнює:

s=s_n+s_p=e(nb_n +pb_р).

Таким чином, електропровідність напівпровідника залежить від концентрації носіїв струму та їх рухливості.

Температурна залежність електропровідності напівпровідників, як і будь-яких провідників, визначається температурними залежностями концентрації і рухливості носіїв.

Однак рухливість носіїв зі зміною температури змінюється за порівняно слабким степеневим законом:

(для напівпровідників ),

а концентрація носіїв – за сильним експоненціальним законом. Тому наближено можна вважати, що електропровідність напівпровідників зростає з температурою за тим же законом, що і концентрація електронів (дірок).

Рухливість і концентрація носіїв струму в напівпровіднику визначається з експериментального дослідження ефекту Холла і розраховується за значенням питомого опору напівпровідникового зразка.

Межа дотикання двох напівпровідників, один із яких має електронну, а інший – діркову провідність, називається електронно-дірковим переходом (або р - n- переходом). Внаслідок дифузії і рекомбінації електронів і дірок виникає тонкий шар, збіднений носіями струму, який має підвищений опір – граничний шар. Контакт двох напівпровідників (електронного і діркового) з р - n-переходом має уніполярну (односторонню) провідність: струм легко проходить в одному напрямку (пропускному) і майже не проходить в зворотному. Ця властивість р - n-переходу лежить в основі випрямляючої дії р - n- переходу в напівпровідникових діодах і тріодах.

Якщо зовнішнє електричне поле направлене від напівпровідника р - типу до напівпровідника n–типу, опір граничного шару різко зменшується, прямий електричний струм різко зростає. При протилежному напрямку електричного поля опір граничного шару різко зростає. Тому напівпровідниковий прилад (діод) з одним р-n- переходом – це елемент з односторонньою провідністю, тобто такий перехід працює як випрямляч, пропускаючи струм в одному напрямку.

Напівпровідниковий прилад, що має два р - n або n - р – переходи, називають транзистором. Дірки в р- n -р транзисторі створюють емітерний струм, в області емітера надходять у дуже вузьку n - область бази і звідти більша частина (96-99%) дірок проходить у р - область до колектора, утворюючи колекторний струм. Такий принцип покладено в основу підсилення сигналів малої потужності, тому він є основним елементом електричних схем.

Прилад, побудований на сильній залежності опору напівпровідника від температури, називається термістором або терморезистором.

Термістор – це напівпровідник, що вміщений у балончик зі скла, кераміки чи металу (для запобігання механічним пошкодженням). Невеликі габарити, мала маса, механічна міцність і висока чутливість визначають широке практичне застосування термісторів. Вони використовуються для реєстрації зміни температури навколишнього середовища, вимірювання потужності електромагнітного випромінювання тощо (датальніше про роботу термісторів див. лабораторну роботу 6-2, розд. 6.2).