В идеальном кристалле при очень низких температурах все электроны, в том числе и валентные, прочно связаны с ядрами атомов и не могут участвовать в электропроводности. В этих условиях полупроводник является диэлектриком.
С повышением температуры атомы начинают колебаться и электроны приобретают добавочную тепловую энергию. При этом часть валентных электронов получает энергию, достаточную для преодоления силы связи с ядрами атомов, и в полупроводнике начинаются процессы электропроводности.
Когда какой-либо электрон покидает атом, в ковалентной связи возникает место, которое снова может быть заполнено другим валентным электроном. Такое свободное для электрона место принято называть «дыркой». Освободившийся электрон имеет отрицательный заряд, а образовавшаяся дырка — положительный. Появление положительного заряда дырки объясняется тем, что при освобождении электрона нейтральность атома нарушается и он становится положительным ионом.
Свободные электроны не могут войти ни в одну из заполненных ковалентных связей и поэтому под влиянием теплового движения беспорядочно перемещаются по кристаллу подобно молекулам в газе. Если кристалл поместить в электрическое поле, то свободные электроны, продолжая хаотическое перемещение под воздействием тепловых колебаний, кроме того, начнут двигаться (дрейфовать) в определенном направлении, создавая электрический ток. При не слишком больших полях скорость дрейфа электронов v прямо пропорциональна напряженности электрического поля Е.
Коэффициент пропорциональности i называют подвижностью электронов. Численно она равна той средней упорядоченной скорости, с которой движутся электроны в данном теле при напряженности поля 1 в/см. В идеальных кристаллах германия подвижность электронов составляет около 3500 см2 в • сек.
Электропроводность, обусловленная свободными электронами, называется отрицательной или электронной и обозначается n (negative).
Но в полупроводниках имеется и другая возможность переноса электрических зарядов. Когда в одной из ковалентных связей образуется дырка, в эту дырку под воздействием тепловых колебаний может перескочить какой-либо не ставший свободным валентный электрон соседнего нейтрального атома. При этом исчезает один положительный ион, и рядом образуется другой. Иными словами, заполняется дырка в одной ковалентной связи и появляется новая в другой. В результате дырка, имеющая положительный заряд, как бы перемещается по кристаллу. Необходимо подчеркнуть, что в действительности происходит перемещение разных электронов, переходящих поочередно на электронные оболочки соседних атомов. Но в результате такого поочередного перемещения разных электронов то в одной, то в другой ковалентной связи возникает дырка, которая как бы перемещается по кристаллу.
При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок, как и движение свободных электронов, происходит беспорядочно. Но под воздействием приложенного поля дырки начинают перемещаться упорядочение в сторону, противоположную направлению движения свободных электронов. Скорость перемещения дырок также пропорциональна напряженности электрического поля. Однако подвижность дырок меньше подвижности электронов (в германии примерно в два раза).
Перемещение свободных электронов и дырок в идеальном кристалле германия: а, б, в — последовательные состояния дырки в результате перехода электронов из одной ковалентной связи в другую.
На рис. 3, а показан начальный момент возникновения тока в полупроводнике. Один из валентных электронов покинул атом 3. В кристалле появился свободный электрон. В ковалентной связи атома 3 образовалась дырка, и этот атом стал положительным ионом. В следующий момент (рис. 3, б) свободный электрон продвинется к положительному жхлюсу. Одновременно один из валентных электронов атома 4 переместится в ковалентную связь атома 3 и заполнит имевшуюся там дырку. В результате появится дырка в ковалентной связи атома 4. В следующий момент (рис. 3, в) один из валентных электронов атома 5 переместится в ковалентную связь атома 4 и т. д.
Электропроводность твердых тел, обусловленная своеобразным перемещением положительных зарядов, называется положительной или дырочной и обозначается р (positive).
Таким образом, электрический ток в полупроводниках возникает вследствие электропроводности двух типов. Упорядоченное движение свободных электронов вызывает ток электронной проводимости, или электронный ток. Этот ток — результат движения отрицательных зарядов. Упорядоченное перемещение дырок создает ток дырочной проводимости, или дырочный ток, который является результатом движения положительных зарядов. Хотя направления движения свободных электронов и дырок противоположны, электронный и дырочный токи направлены одинаково. Объясняется это тем, что движение отрицательного заряда в каком-то направлении создает такой же ток, какой создает движение равнозначного положительного заряда в противоположном направлении. Поэтому общий ток в цепи равен сумме электронного и дырочного токов.
Комментариев нет коммент.