ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

   Электропроводность полупроводников

Полупроводниками называются материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Особенностью металлических проводников является наличие свободных электронов - носителей электрических зарядов.

  В диэлектриках свободных электронов нет и поэтому они не проводят тока. В отличие от проводников полупроводники имеют не только электронную, но и «дырочную» проводимости, которые в сильной степени зависят от температуры, освещенности, сжатия, электрического поля и других факторов.

    Кристаллическая решетка полупроводника
a) Парно электронная (ковалентная) связь атомов

  

б) Ее схематическое изображение

в) Связи в кристаллической решетке германия

 Химическую связь двух соседних атомов с образованием на одной орбите общей пары электронов (изо,а) называют ковалентной или парно электронной и условно изображают двумя линиями, соединяющими электроны (изо,6).
Например, германий принадлежит к элементам четвертой группы периодической системы элементов Менделеева и имеет на внешней орбите четыре валентных электрона. Каждый атом в кристалле германия образует ковалентные связи с четырьмя соседними атомами (изо, в).
При отсутствии примесей и температуре, близкой к абсолютному нулю, все валентные электроны атомов в кристалле германия взаимно связаны и свободных электронов нет, так что германий не обладает проводимостью.
При повышении температуры или при облучении увеличивается энергия электронов, что приводит к частичному нарушению ковалентных связей и появлению свободных электронов. Уже при комнатной температуре под действием внешнего электрического поля свободные электроны перемещаются и в кристалле возникает электрический ток. 
 Электропроводность, обусловленная перемещением свободных электронов, называется электронной проводимостью полупроводника,
или n - проводимостью.При появлении свободных электронов в ковалентных связях образуется свободное не заполненное электроном (вакантное) место - «электронная дырка».
Так как дырка возникла в месте отрыва электрона от атома, то в области ее образования возникает избыточный положительный заряд.

 При наличии дырки какой-либо из электронов соседних связей может занять место дырки и нормальная ковалентная связь в этом месте восстановится, но будет нарушена в том месте, откуда ушел электрон. Новую дырку может занять еще какой-нибудь электрон и т. д.
Схема образования и заполнения дырки условно показана на изо.
В установленной наклонно подставке имеется четыре отверстия (дырки), в которых расположено четыре шара (электрона). Если шар 1 сместится вправо, то он освободит отверстие (дырку) и упадет с подставки, а в отверстие, которое занимал этот шар, переместится шар 2. Свободное отверстие (дырку) шара 2 займет шар 3, а отверстие последнего - шар 4.
Под действием внешнего электрического поля дырки перемещаются в направлении сил поля, т. е. противоположно перемещению электронов.

Проводимость, возникающая в результате перемещения дырок, называется дырочной проводимостью, или р-n проводимостью.Таким образом, при электронной проводимости один свободный электрон проходит весь путь в кристалле, а при дырочной проводимости большое число электронов поочередно замещают друг друга в ковалентных связях и каждый из них проходит свой отрезок пути.
В кристалле чистого полупроводника при нарушении ковалентных связей возникает одинаковое число свободных электронов и дырок. Одновременно с этим происходит обратный процесс - рекомбинация, при которой свободные электроны заполняют дырки, образуя нормальные ковалентные связи. 

 При определенной температуре число свободных электронов и дырок в единице объема полупроводника в среднем остается постоянным. При повышении температуры число свободных электронов и дырок сильно возрастает и проводимость германия значительно увеличивается. Электропроводность полупроводника при отсутствии в нем примесей называется его собственной электропроводностью. Свойства полупроводника в сильной степени меняются при наличии в нем ничтожного количества примесей. Вводя в кристалл полупроводника атомы других элементов, можно получить в кристалле преобладание свободных электронов над дырками или, наоборот, преобладание дырок над свободными электронами.

 
Источник:  Изучение электротехники и электроники. Ванюшин Н. Б.