Атом будь-якої речовини, в тому числі напівпровідника, являє собою позитивно заряджену ядро, навколо якого розташовуються оболонки з орбіт електронів, що обертаються навколо ядра. Електрони зовнішніх оболонок пов'язані з ядром значно слабкіше, ніж електрони оболонок близьких до ядра. При отриманні зовнішньої енергії під дією температури, освітлення, електричного поля та інших причин електрони зовнішньої оболонки втрачають жорсткий зв'язок з атомом і можуть вільно переміщатися в обсязі матеріалу. Такі електрони називаються вільними носіями заряду, вони обумовлюють електропровідність матеріалу. Вільна зона, на рівнях енергії якої можуть знаходитися електрони при порушенні, називається зоною провідності.
Зона, найближча до зони провідності, називається валентною зоною. Електрони валентної зони пов'язані з атомом речовини. При температурі абсолютного нуля валентна зона повністю заповнена електронами, але при підвищенні температури починає відбуватися обмін електронами між валентною зоною і зоною провідності.
Залежно від структури енергетичних зон, все тіла діляться на провідники (метали), напівпровідники і діелектрики. У металів зона провідності і валентна зона перекриваються. Це означає, що валентні електрони легко переходять в зону провідності і можуть брати участь у створенні електричного струму. Характерною особливістю металів є наявність вільних електронів навіть при температурі абсолютного нуля.
У напівпровідниках вільна зона провідності і валентна зона розділені забороненою зоною. Ширина забороненої зони DW є кількість енергії, яку необхідно повідомити електронам валентної зони для їх перекидання в зону провідності. Так, для германію DW = 0,72 еВ і для кремнію DW = 1,12 еВ. При температурі абсолютного нуля атоми напівпровідника знаходяться в стані абсолютного спокою, всі електрони перебувають у валентній зоні і напівпровідник перетворюється в діелектрик. У міру зростання температури, все більше число електронів долає заборонену зону, і електропровідність напівпровідникового матеріалу збільшується. Концентрація електронів у вільній зоні визначається наступною залежністю:
де e - основа натуральних логарифмів;
A - постійний для даної речовини коефіцієнт;
k - постійна Больцмана;
T - температура за Кельвіном.
Ширина забороненої зони в діелектриках настільки велика, що навіть при високих температурах концентрація вільних електронів дуже мала.
При звичайних температурах питомий електричний опір матеріалів характеризується наступними значеннями: метали - 10 -6 ÷ 10 -4 Ом · см, напівпровідники - 10 -3 ÷ 10 10 Ом · см, діелектрики - 10 10 ÷ 10 18 Ом · см.
Атом, що втратив електрон, має позитивним зарядом, рівним по величині заряду електрона. Такий позитивний заряд прийнято називати "діркою ''. Освіта пари електрон-дірка називається генерацією, а зворотний процес (поглинання іоном вільного електрона) - рекомбінацією зарядів. Поява електронів в зоні провідності означає, що матеріал напівпровідника стає електропровідним. Ця електропровідність є наслідком порушення валентних зв'язків в кристалі напівпровідника і є власною електропровідністю обумовленої власними, а не привнесеними носіями зарядів. Провідність Пропорційні льону твору концентрації вільних зарядів на величину заряду. В чистих напівпровідниках концентрація власних носіїв зарядів - вільних електронів і дірок - мала і становить лише 10 16 ÷ 10 18 на 1 см 3 речовини. Така концентрація не здатна викликати помітної електропровідності. Для зниження питомої електричного опору напівпровідника і надання йому певного типу електропровідності - електронної при переважанні вільних електронів або доречний при переважанні дірок - в чисті напівпровідники умисне про вводять певні домішки. Цей процес називається легуванням. Домішки, здатні віддавати електрони в зону провідності, називаються донорними. Домішкові напівпровідники, у яких основними носіями заряду є електрони, називаються напівпровідники n-типу. У таких напівпровідниках концентрація власних дірок мала в порівнянні з концентрацією вільних електронів.
Домішки, здатні приймати на свої рівні електрони, називаються акцепторними, вони обумовлюють надмірна кількість дірок в напівпровіднику. Такі напівпровідники називаються напівпровідниками p # 8209; типу, у них основними носіями є дірки, а неосновними - електрони.
У чистому напівпровіднику концентрація електронів і дірок однакова, тобто n = р. У легованому напівпровіднику p-типу концентрація дірок на 2-3 порядки більше концентрації електронів: pp >> nn. У легованому напівпровіднику n-типу має місце співвідношення nn >> pp. Таким чином, основні носії заряду утворюються під впливом домішки. Концентрація основних носіїв залежить від ступеня легування. Слаболегірованних напівпровідникові матеріали використовуються в малопотужних напівпровідникових приладах, а сильнолегованих - в потужних. Концентрація власних (неосновних) носіїв залежить головним чином від температури речовин. При високих температурах за рахунок термогенерации концентрація неосновних носіїв може перевищити концентрацію основних, і напівпровідниковий прилад втратить свої властивості. Отже, температура не повинна перевищувати значень, при яких концентрація неосновних носіїв незначна в порівнянні з основними. Для германію це 70-80 ° С, для кремнію - 150-170 ° С.
Для напівпровідників, що відносяться до IV групі таблиці елементів Менделєєва (германии, кремній), донорними домішками є елементи, які стосуються V групі (фосфор, миш'як), а акцепторними - до III групі (алюміній, бор, індій). Чисті напівпровідники можуть бути простими речовинами - германій, кремній, селен або складними - арсенід галію, фосфід галію та ін.
У відсутності електричного поля і рівномірної концентрації носіїв електрони і дірки знаходяться в хаотичному русі; впорядкований рух зарядів, тобто електричний струм відсутній. Причиною електричного струму в, полупроводнике може бути наявність зовнішнього електричного поля або нерівномірність концентрації носіїв заряду. Направлений рух носіїв заряду під дією електричного поля називається дрейфом, а викликаний ним електричний струм дрейфовим. Рух зарядів під дією різниці концентрації зарядів називається дифузією, а струм - дифузійним. Переміщення зарядів супроводжується зіткненням електронів з атомами і рекомбінацією.
Для кожного значення напруженості електричного поля Е характерна своя середня швидкість переміщення електронів і дірок:
де μn і μр - рухливість електронів і дірок відповідно.
Позитивний напрямок руху, тобто рух по полю характерно для позитивно заряджених дірок, а негативне, проти поля - для електронів. При цьому μn> μр. наприклад, для германію μn = 3800 см 2 / Вс, μр = 1800 см 2 / Вс, для кремнію μn = 1300 см 2 / Вс, μр = 500 см 2 / Вс. Рухливість електронів і дірок у германію більше, ніж у кремнію, а тому питомий електричний опір германію менше. Для всіх матеріалів рухливість носіїв залежить від температури.
Щільність електронної та доречний складових дрейфового струму і в напівпровіднику:
де n - концентрація електронів;
p концентрація дірок;
q - заряд електрона;
E - Напруженість електричного поля, що викликав дрейф.
Сумарна щільність струму:
У чистих напівпровідниках п = р, але μn> μр. тому дрейфовий струм має електронний характер. У домішкових напівпровідниках характер дрейфового струму визначається типом домішки.
Щільність складових дифузійного струму:
де Dn - коефіцієнт дифузії електронів;
Dp - коефіцієнт дифузії дірок;
- градієнт концентрації електронів у напрямку струму х;
- градієнт концентрації дірок за цим напрямком.
Коефіцієнт дифузії дорівнює числу носіїв заряду, диффундирующих за 1с через площу 1 см 2 при одиничному градієнті концентрації. Коефіцієнт дифузії пов'язаний з рухливістю співвідношенням Ейнштейна:
де jт - тепловий потенціал.
У свою чергу,, де К - const, а T - температура за Кельвіном. Отже, коефіцієнт дифузії також залежить від температури.