Электронно-дырочный переход

Полупроводниками называются материалы, имеющие на внешнем уровне по 4 электрона. Особенностью полупроводников является то, что каждый электрон образует общую орбиту с электроном соседнего атома (рис.8.1).

Химическую связь двух соседних атомов называют ковалентной или парноэлектронной.

При отсутствии примесей и температуре, близкой к абсолютному нулю, все валентные электроны атомов в кристалле полупроводника взаимно связаны и свободных электронов нет, полупроводник не обладает проводимостью.

При повышении температуры или при облучении увеличивается энергия электронов, что приводит к частичному нарушению ковалентных связей и появлению свободных электронов.

Электропроводность, обусловленная перемещением свободных электронов, называется электронной проводимостью полупроводника или n-проводимостью. При появлении свободных электронов в ковалентных связях образуется свободное не заполненное электроном 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 займет следующий электрон и т. д.

Уже при комнатной температуре под действием внешнего электрического поля свободные электроны перемещаются и в кристалле возникает электрический ток.

Рисунок 8.1.

Перемещение дырок подобно перемещению положительных зарядов и называется дырочной электропроводностью или р-проводимостью. Под действием внешнего электрического поля дырки перемещаются в направлении сил поля, т. е. противоположно перемещению электронов.

Процесс образования пары электрон-дырка называется генерацией.

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 полупроводника значительно увеличивается, т. е. полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

Электропроводность полупроводника при отсутствии в нем примесей называется собственной.

Например, при замещении в кристаллической решетке атома полупроводника атомом 5-валентного вещества (фосфор, мышьяк, сурьма) четыре электрона этого вещества образуют заполненные связи с соседними атомами полупроводника, а пятый окажется свободным, т.е. число электронов увеличится (рис 8.2.б). Такая примесь называется донорной, полупроводник – n -типа. .

Свойства полупроводника в сильной степени меняются при наличии в нем ничтожного малого количества примесей. Вводя в кристалл полупроводника атомы других элементов можно получить в кристалле преобладание свободных электронов над дырками и наоборот.

а) б)

Рисунок 8.2.

При замещении атома полупроводника атомом 3-валентного вещества (алюминий, индий, галлий) его электроны образуют ковалентные связи с тремя соседними атомами полупроводника, а связи с четвертым атомом не будет, т.к. четвертого электрона у примеси нет (рис.8.2.а). Создание связи возможно, если недостающий четвертый электрон будет получен от ближайшего атома полупроводника. Но в этом случае появится дырка. Такая примесь вызывает преобладание дырочной проводимости и называется акцепторной.

Носители заряда, определяющие собой тип проводимости в примесном полупроводнике, называются основными, противоположного знака – не основными.

Контрольные вопросы

1. Какие материалы называются полупроводниками?

2. Какую связь называют ковалентной или парноэлектронной?

3. Как влияет изменение температуры на поведение электронов?

4. Дайте определение электронной проводимости.

5. Дайте определение генерации.

6. Дайте определение дырочной проводимости.

7. Опишите процесс рекомбинации.

8. Дайте определение собственной электропроводности.

9. Дайте определение донорной примеси.

10. Дайте определение акцепторной примеси.