Основні та неосновні носії заряду
Носії заряду - загальний термін для позначення часток чи квазічасток, які дають внесок у електричний струм.
Носіями заряду можуть бути електрони, дірки, катіони, аніони тощо, в залежності від середовища, в якому проходить струм.
напівпровідники - електрони й дірки;
метали й вакуумні прилади - електрони;
електроліти й суперіоніки - йони;
плазма - електрони та йони.
Важливими характеристиками носіїв заряду є рухливість і коефіцієнт дифузії.
В напівпровідниках розрізняють основні носії заряду й неосновні носії заряду. В напівпровідниках n-типу основними носіями заряду є електрони провідності, а дірки є неосновним носіями заряду. В напівпровідниках p-типу основними носіями заряду є дірки, а електрони - неосновними.
Електро́н прові́дності — від'ємно заряджена квазічастинка в напівпровіднику, електронний стан у зоні провідності. Електрон провідності має багато спільних рис із вільним електроном. Проте він характеризується іншим законом дисперсії. Спін електрона провідності теж не обов'язково 1/2, хоча він завжди напівцілий, тобто електрон провідності є ферміоном.
Електрони провідності є збудженими станами в напівпровіднику. У власному напівпровіднику вони виникають у парі з дірками. У напівпровіднику n-типу електрони переходять у зону провідності з локалізованих на домішках станів.Важливими характеристиками електрона провідності є його ефективна маса, рухливість, коефіцієнт дифузії. Електрони провідності є одним із типів носіїв заряду в напівпровідниках і вносять великий вклад у їхню електропровідність чи теплопровідність.
Ді́рка — квазічастинка у напівпровіднику, яка за своєю природою відповідає відсутності електрона у валентній зоні.Позначається зазвичай латинською літерою h (англ. hole).Дірка має додатний заряд, який за величиною дорівнює заряду електрона. Спін дірки визначається спіном електронів у валентній зоні. Для більшості поширених напівпровідників, таких як кремній, арсенід галію тощо, він дорівнює 3/2.
У напівпровідниках p-типу дірки є основними носіями заряду. Оскільки дірка переміщується в кристалі, як і вільний носій електричного заряду, то їй приписують позитивний заряд. Якщо діє зовнішнє електричне поле, в кристалі напівпровідника виникає впорядковане переміщення дірок і до електричного струму вільних електронів (електронна провідність) додається електричний струм, пов'язаний з переміщенням дірок (діркова провідність).Дірки зазвичай характеризуються ефективною масою. Для низки напівпровідників валентна зона вироджена в центрі зони Брілюена, хоча при більших квазі-імпульсах це виродження зникає. Тому існує кілька валентних зон і кілька типів дірок, які відрізняються ефективоною масою. Ці дірки називають, відповідно, легкими дірками й важкими дірками.
Процеси генерації і рекомбінації носіїв
Генера́ція носії́в заря́ду — це процес утворення вільних електронів і дірок під впливом різних енергетичних факторів: теплової енергії, енергії світла, енергії електричного поля. Протилежним явищем є рекомбінація.
Електрон-діркова пара — фундаментальна одиниця генерації та рекомбінації, що відповідає електроному переходу з валентної зони до зони провідності.
Рекомбінація — процес об'єднання пари "комплементарних" у певному сенсі частинок чи квазічастинок з утворенням "цілісного" об'єкту. Стосовно до електронів і йонів у газовому розряді процес рекомбінації протилежний процесу іонізації. Стосовно різнознакових іонів у електролітах процес рекомбінації протилежний дисоціації. Стосовно електронів провідності й дірок у напівпровідниках процес рекомбінації протилежний утворенню електрон-діркових пар. Стосовно вакансій та міжвузлових атомів процес рекомбінації протилежний утворенню пар Френкеля.
Ймовірність
рекомбінації пропорційна частоті
зіткнення протилежних частинок, а отже
їхній рухливості. В кінетичному рівнянні,
яке описує швидкість зміни густин
частинок
та
,
рекомбінація задається зазвичай виразом
де γ- коефіцієнт рекомбінації. Коефіцієнт рекомбінації залежить від рухливості частинок, а отже від температури.
Рекомбінація в напівпровідниках
При рекомбінації електронів та дірок електрон переходить з зони провідності у валентну зону. При цьому вивільняється енергія, значення якої перевищує ширину забороненої зони. Ця енергія може передаватися або кванту світла або коливанням кристалічної ґратки. У першому випадку рекомбінацію називають випромінювальною. Вона важлива для застосування в світлових діодах. У іншому випрадку рекомбінацію називають безвипромінювальною.