Электрический ток в полупроводниках

Полупроводник – вещество, сопротивление которого уменьшается с увеличением температуры.

В отличие от проводников (металлов) им свойственны следующие особенности:

1) их сопротивление уменьшается с увеличением температуры;

2) электрический ток в полупроводниках осуществляется не только перемещением свободных зарядов, но и перемещением связанных (с атомами) электронов;

3) небольшое количество примеси может очень сильно изменить сопротивление полупроводника.

К полупроводникам относят элементы IV группы периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева (германий, кремний), олово, свинец, а также соединения элементов III группы (алюминия, галлия, индия) с элементами V группы (фосфором, мышьяком, сурьмой, висмутом и т.д.)

Рассмотрим кристалл германия, который на внешней электронной оболочке имеет четыре валентных электрона. В кристаллической решетке каждый атом германия связан с четырьмя соседними атомами ковалентной связью (связь посредством электронной пары, когда два электрона двигаются одновременно вокруг двух ядер). Таким образом, на внешней электронной оболочке каждого атома находится восемь электронов, принадлежащих также и соседним атомам.

При низких температурах эти связи достаточно прочны, все электроны с атомами и свободных электронов нет. Поэтому при низких температурах чистый полупроводник является хорошим диэлектриком.

При нагревании часть ковалентных связей разрывается за счет увеличения кинетической энергии частиц, и, следовательно, в кристалле появляются свободные электроны, которые под действием перемещаются, создавая электронный ток проводимости.

Электронной проводимостью называется проводимость полупроводников, обусловленная наличием у них свободных электронов.

При удалении электрона из атома в оболочке атома образуется вакантное место с недостающим электроном – дырка. Эта дырка может быть занята другим электроном, так как соседние атомы, имеющие общие электроны, постоянно ими обмениваются. Таким образом, дырка постоянно и беспорядочно перемещается по кристаллу, перенося тем самым положительный заряд, численно равный заряду электрона. При встрече дырки и электрона происходит процесс рекомбинации, вследствие чего их перемещение прекращается. Непрерывные тепловые колебания атомов приводят к возникновению новых свободных электронов и дырок, которые снова начинают переносить заряд.

Во внешнем электрическом поле электроны будут упорядоченно двигаться от отрицательного полюса к положительному полюсу источника тока, т.е. противоположно направлению вектора напряженности электрического поля. Под действием поля связанные электроны также начнут переходить на пустые места, создавая тем самым перемещение вакантных мест (дырок) в направлении вектора напряженности поля. Таким образом, под действием внешнего электрического поля возникает упорядоченное движение дырок, т.е. создается дырочный ток проводимости.

Дырочная проводимость - проводимость полупроводников, обусловленная наличием дырок в нем.

Процесс перемещения электронов и дырок во внешнем поле происходит по всему объему полупроводника.

Свободными носителями заряда в чистом полупроводнике являются электроны и дырки. Проводимость чистых полупроводников называется собственной проводимостью полупроводника. Она обычно невелика, и включает в себя электронную и дырочную проводимости.

Примесной проводимостью полупроводника называется проводимость, обусловленная внесением в их кристаллические решетки примесей. Добавление в кристалл атомов постороннего вещества называется легированием. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменить число носителей электрического тока. Эта проводимость является дополнительной к собственной проводимости полупроводников.

Различают два вида примесей: донорные и акцепторные.

Доноры (донорные примеси) - примеси, поставляющие электроны в объем полупроводника. Атомы этих веществ легко отдают электроны, увеличивая тем самым общее число свободных электронов. В таких полупроводниках преобладает электронная проводимость, а сами полупроводники называются полупроводниками n–типа. В них основными носителями заряда являются электроны, а неосновными – дырки.

Акцепторы (акцепторные примеси) – это примеси, захватывающие валентные электроны вещества и создающие тем самым дырки. В полупроводниках с акцепторными примесями преобладает дырочная проводимость, такие полупроводники называются полупроводниками p-типа, в которых основными носителями заряда являются дырки, а неосновными – электроны.

Дата добавления: 2015-07-10