Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников - Постоянный ток - ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

3.2. Постоянный ток

3.2.10.Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников

К полупроводникам относят широкий класс веществ, которые отличаются от металлов тем, что:

а) концентрация подвижных носителей заряда в них существенно ниже, чем концентрация атомов;

б) эта концентрация (а с ней и электропроводность) может меняться под влиянием температуры, освещения, небольшого количества примесей;

в) электрическое сопротивление уменьшается с ростом температуры (рис. 3.27).

Отличие полупроводников от диэлектриков условно. К диэлектрикам обычно относят вещества с удельным сопротивлением ρ ≥ 1011-1012 Ом · см (при комнатной температуре); к полупроводникам соответственно с ρ ≤ 1011 Ом · см.

Полупроводники по своему строению делятся на кристаллические, амфорные и стеклообразные, жидкие. По химическому составу полупроводники делятся на элементарные, т. е. состоящие из атомов одного сорта (Ge, Si, Se, Те), двойные, тройные, четверные соединения. Полупроводниковые соединения принято классифицировать по номерам групп периодической таблицы элементов, к которым принадлежат входящие в соединение элементы. Например, GaAs и InSb относятся к соединениям типа AIIIBv (существуют также и органические полупроводники).

Строение полупроводников

Строение полупроводников рассмотрим на примере кремния (рис. 3.28, а).

В кристаллической решетке кремния (Si) каждый атом имеет четыре ближайших соседа. Кремний является четырехвалентным элементом, и взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью ковалентной, или парноэлектронной, связи, когда в каждой связи участвует по одному электрону от каждого атома. Это так называемыеколлективизированные электроны, большую часть времени они проводят в пространстве между соседними ионами кремния, удерживая их друг возле друга. Каждый валентный электрон может двигаться по связи вдоль всего кристалла (от одного атома к другому).

При низких температурах парноэлектронные связи достаточно прочны, они не разрываются, поэтому кремний не проводит электрический ток.

Электронная проводимость

Увеличение температуры приводит к увеличению кинетической энергии валентных электронов и разрыву валентных связей. Часть электронов становятся свободными (подобно электронам в металле), кристаллы под действием электрического поля начинают проводить ток (рис. 3.28, б). Проводимость полупроводников, обусловленная свободными электронами, называется электронной проводимостью. Концентрация носителей заряда при увеличении температуры от 300 до 700 К растет от 1017 до 1024 м3, что и приводит к падению сопротивления (рис. 3.27).

Дырочная проводимость

Разрыв валентных связей при увеличении температуры приводит к образованию вакантного места с недостающим электроном, которое имеет эффективный положительный заряд и называется дыркой. Становится возможным переход валентных электронов из соседних связей на освободившееся место. Такое движение отрицательного заряда (электрона) в одном направлении эквивалентно движению положительного заряда (дырки) в противоположном.

Перемещение дырок по кристаллу происходит хаотически, но если к нему приложить разность потенциалов, начнется их направленное движение вдоль электрического поля. Проводимость кристалла, обусловленная дырками, называется дырочной проводимостью.

Электронная и дырочная проводимость чистых (беспримесных) полупроводников называется собственной проводимостью полупроводников.

Собственная проводимость полупроводников невелика. Так, в Ge число носителей заряда (электронов) составляет всего одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов.