3.Чисті напівпровідники.

3.1. Власна провідність.

Розглянемо як утворюються рухомі носії зарядів в чистих напівпровідниках на прикладі германію та кремнію. У атомів цих елементів на зовнішньому рівні міститься по чотири валентних електрони. У твердому стані ці речовини мають кристалічну гратку, зв’язок між атомами ковалентний. Ковалентний зв’язок атомів германію зображено на схемі 2.

При низькій температурі всі електрони зв’язані з атомами. В такому кристалі майже немає рухомих носіїв зарядів і він представляє собою ізолятор. При збільшенні температури атоми отримують енергію , якої достатньо для того, щоб відірватися від атома. Поява таких носіїв зарядів і зумовлює провідність напівпровідника. Енергія , потрібна для відриву для кожного елемента є різною. З появою «вільних» електронів також утворюються дірки , які умовно вважають як носії позитивних зарядів. Без впливу електричного поля електрони , що відірвалися , та дірки здійснюють по напівпровіднику хаотичний рух. При накладанні електричного поля вони утворюють електричний струм.

Тобто нагрівання напівпровідника призводить до генерації пар рухомих носіїв зарядів «електрон-дірка». Коли електрон , при хаотичному русі , зустрічається з діркою , то він заповнює вакантне місце , а це в свою чергу спричиняє зникнення відразу двох рухомих носіїв зарядів. Це явище дістало назву рекомбінації пар «електрон-дірка». При постійній температурі між генерацією та рекомбінацією цих пар існує деяка рівновага. Слід зазначити , що в напівпровіднику без домішок завжди наявна рівна кількість вільних електронів та дірок.

3.2. Термістори.

Провідність чистих напівпровідників є наполовину електронною , а на половину – дірочкою. Таку провідність прийнято називати власною провідністю напівпровідника. Під дією електричного поля електрони рухатимуться в одному напрямку , а дірки в іншому. Цей процес також розглянуто в додатку 1.

Оскільки температурний коефіцієнт опору у напівпровідників набагато більший , ніж у провідників, та ще й зі знаком мінус , то їх власну провідність можна використовувати для замикання кола при недопустимому підвищенні температури в автоматичних пристроях. Напівпровідник, опір якого при нормальних умовах високий, вмикається у коло , яке керує поданням струму. Коли температура недопустимо підвищується , опір напівпровідника падає і колі з’являється струм , при якому припиняється подання струму , який викликає перегрів. Такі напівпровідникові прилади називають термісторами. Такі прилади мають малі розміри , а тому за допомогою них можна вимірювати зміну температури в невеликому просторі.

4.Домішкові напівпровідники та електронно-дірковий перехід.

4.1.Домішкова провідність.

За допомогою додавання в чистий напівпровідник спеціально підібраних домішок можна таким чином змістити рівновагу між електронною та дірковою провідністю в ту чи іншу сторону. Результат додавання домішок , явища , що при цьому відбуваються та типи домішкових напівпровідників було наведено вище , а також відображено у додатку 1. Зазначимо , що в домішкових напівпровідниках вже при нормальних температурах відбуваєься генерація пар електрон-дірка. Тому крім основних носіїв заряду там містяться в невеликій кількості і носії струму протилежного знаку( неосновні носії заряду). При невисоких температурах вони не грають значної ролі в електропровідності. При високих температурах , коли відбувається інтенсивна генерація пар, напівпровідник набуває змішаної провідності.

4.2. Електронно-дірковий перехід.

Уявімо собі кристал германію , у якого одна частина містить донорну домішку , а інша – акцепторну. (Схема 3)

Границю в кристалі напівпровідника між цими областями називають електронно- дірковим переходом. Тепер розглянемо його властивості. При контакті цих двох частин цього кристалу відразу починається перехід електронів з області де їх багато у область де їх мало , а дірки переміщуються в протилежному напрямі. Ця дифузія електронів та дірок проходила б до повного вирівнювання концентрацій в обох частинах кристала , якби вони не переносили заряди. При переміщенні між двома цими областями виникає різниця потенціалів. На границі цих областей виникає електричне поле , яке заважає подальшій дифузії основних носіїв заряду через границю, відкидаючи їх назад у свої області. Лише дірки та електрони з достатньо великою кінетичною енергією можуть подолати протидію електричного поля і перейти через перехідну область.

Але це поле викликає зворотній перехід неосновних носіїв заряду : дірок з n-області в p-область , а електронів з p-області в n-область. В результаті в перехідній області встановиться така різниця потенціалів , при якій дифузійний потік дірок з p-області n-область врівноважується зустрічним потоком електронів з n-області в p-область. Одночасно врівноважуються і зустрічні потоки електронів. Результуючі потоки і електронів і дірок стають рівними нулю. В перехідній області майже немає рухомих носіїв зарядів – адже вони не можуть втриматися там и швидко пролітають крізь нього. В перехідній області залишаються лише деякі іони акцепторної домішки та донорної домішки. В цих областях і сконцентровані заряди n і p-областей , а інші частини кристала залишаються електрично нейтральними. Перехідна зона має дуже малі розміри – близько 1мкм , але вона має дуже великий опір порівняно з іншими частинами кристала і при включенні її в коло майже вся напруга концентрується саме на цьому переході. Отже , хоча перехід має дуже малі розміри , та роль його значна.