Электронные и дырочные полупроводники

В отличие от металлов, электропроводность которых обусловлена свободны­ми электронами, в полупроводниках может быть два типа электропроводности: электронная и дырочная. При переходе электрона в зону проводимости кристалл полупроводника приобретает электропроводность.

Однако при этом в валентной зоне появляются свободные уровни, которые на­зывают дырками. Дырки имеют положительный заряд и также могут участвовать в образовании тока через кристалл. Таким образом, в полупроводниках могут иметь место два типа электропроводности, связанные с различными типами носителей зарядов: электронная (обусловленная движением свободных электронов в зоне про­водимости) и дырочная (обусловленная движением дырок в валентной области). Условное изображение перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости приведено на рис. 5.3. На этом рисунке электрон в зоне проводимости представлен в виде кружка с отри­цательным зарядом, а дырка в валентной зоне изображена как кружок с положитель­ным зарядом. Стрелка показывает направление перехода электрона.

Рис. 5.3. Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости

Если в основной полупроводник (Ge или Si), ввести примесь, например фосфор Р или сурьму Sb, то четыре электрона атома примеси оказываются связанными с четырьмя валентными электронами основного полупровод­ника. Однако пятый валентный электрон примеси является избыточным. Он легко пе­реходит в зону проводимости и участвует в создании электронной проводимости кристалла. Примеси, отдающие свои электроны в зону проводимости основного полу­проводника, называют донорами. Если в основной полупроводник ввести, например галлий Gа или индий In, то только три электрона атома примеси связываются с тремя валентными электронами основного полупроводника. Недостающий четвертый электрон для основного полупроводника заимствуется из зоны проводимости, в которой при этом образуется дырка, имеющая положительный заряд. Примеси, способные принимать на свои уровни валентные электроны, называ­ют акцепторами.

Таким образом, с помощью доноров создаются полупроводники, в которых основ­ными носителями зарядов служат электроны. Такие полупроводники называют элект­ронными (или п-типа). С помощью акцепторов создаются полупроводни­ки, в которых основными носителями зарядов являются дырки. Такие полупроводники называют дырочными (или р - типа).

Виды токов в полупроводниках

Если полупроводник помещен в электрическое поле, то в нем возникают два вида токов: дрейфовый и диффузионный.

Дрейфовый ток обусловлен перемещением носи­телей зарядов (электронов или дырок) под действием электрического поля. Плотность дрейфового тока определяется концентрацией электронов n (или дырок p), зарядом электрона q и средней скоростью V перемещения заряда в направлении, перпендикулярном сечению полупроводника:

j_E = nqV

Диффузионный ток. В полупроводниках электрический ток вызывается не только электрическим полем, но и неравномерным распределением подвижных носителей заряда (электронов и дырок) по объему кристалла.

Если в некотором объеме полупроводника имеется область с большей концентрация электронов, то число электронов, движущихся из области с большой концентрацией в область с меньшей концентрацией, будет превышать число частиц, движущихся в противоположном направлении. В результате появится некоторое упорядоченное диффузионное перемещение электронов проводимости в направлении уменьшения их концентрации, т.е. возникнет диффузионный электрический ток, направление которого противоположно направлению диффузии электронов. Плотность диффузионного тока j прямо пропорциональна концентрации электронов проводимости. Аналогичный процесс происходит и при неравномерной концентрации дырок, создающей диффузионный электрический ток, совпадающий по направлению с направлением диффузии дырок.

Диффузия электронов и дырок создает на переходе напряженность электрического поля

Е = dU/dx,

поэтому кроме диффузионного тока через переход будет также проходить дрейфовый ток (ток проводимости).