Электронная и дырочная проводимости в полупроводниках

В полупроводниках при некотором значении температуры, отличном от нуля, часть электронов будет иметь энергию, достаточную для перехода в зону проводимости. Эти электроны становятся свободными, а полупроводники – электропроводными.

Уход электрона из валентной зоны, приводит к освобождению какого-либо валентного электрона из атома полупроводника, в результате чего в системе ковалентных связей возникает пустое место.

Вакантное энергетическое состояние называется дыркой.

Высвобожденный электрон может перемещаться по кристаллической решетке, создавая ток проводимости – электронный ток.

Если этот или другой электрон присоединится к валентным электронам соседнего атома, то местоположение отсутствующего электрона перемещается в пространстве от одного атома к другому. Перемещение избыточных электронов по кристаллической решетке сопровождается перемещением соответствующих вакансий.

Такое перемещение электронов можно рассматривать как движение положительно заряженных фиктивных зарядов-дырок, создающих дырочный ток. Дырочную проводимость не следует путать с ионной проводимостью. При дырочной проводимости в действительности движутся тоже электроны, но их движение пространственно ограниченно.

Таким образом, электрический ток в полупроводнике одновременно создается движением электронов и дырок, создавая электронную и дырочную проводимость.
У абсолютно чистого и однородного полупроводников свободные электроны и дырки образуются попарно, т.е.:

, где – количество электронов и дырок в собственном (i-ом) полупроводнике.

Электропроводность такого полупроводника, который называется собственным, обусловлена парными носителями теплового происхождения, называется собственной.

Процесс образования пары носителей называется генерацией пары. Если эта генерация происходит под действием температуры – то это термогенерация, под действием света – фотогенерация.

Образовавшиеся электрон и дырка совершают хаотическое движение, пока электрон не будет захвачен дыркой. Этот процесс восстановления разорванных валентных связей называется рекомбинацией.

Промежуток времени с момента генерации носителя до его рекомбинации называется временем жизни, а расстояние, пройденное носителем заряда за время жизни диффузионной длиной.

При неизменных температуре и ширине запрещенной зоны как для собственных полупроводников, так и для примесных выполняется условие:

Это условие называется уравнением полупроводника.