2.1. Види електропровідності напівпровідників. Принцип роботи напівпровідникових приладів пов'язаний з тим, що в напівпровідниках існує електропровідність двох видів - електронна і діркова.
Електронна електропровідність обумовлена переміщенням в одному напрямку вільних електронів. При звичайних робочих температурах в чистих, бездомішкових напівпровідниках завжди є електрони, які дуже слабо пов'язані з ядрами атомів, стають вільними і здійснюють безладне, хаотичне, тепловий рух між атомами кристалічної решітки. Ці електрони під дією електричного поля можуть почати рухатися в певному напрямку. Таке спрямований рух і є електричний струм.
Діркова електропровідність є особливістю напівпровідників і не спостерігається в металах. тобто в провідникових матеріалах (провідниках).
В атомі напівпровідника під впливом частіше теплових або інших зовнішніх впливів один з валентних електронів може покинути атом і стати вільним (рис.3). Тоді атом набуває позитивного заряду, але за величиною рівний негативному заряду електрона. Такий атом називається позитивним іоном. а процес перетворення атома в іон - іонізацією.
У напівпровідниках кристалічна решітка міцна. Її іони не пересувається. а залишаються на своїх місцях в вузлах кристалічної решітки, тобто є нерухомими зарядами.
Відсутність електрона на орбіті атома напівпровідника умовно назвали діркою. Цим підкреслюють, що в атомі не вистачає одного електрона, т. Е. Утворилося вільне місце - дірка. Дірки [3] поводяться, як елементарні позитивні заряди.
Виникнення дірки можна пояснити за допомогою площинний моделі напівпровідника (рис.3). Один з електронів, що беруть участь в ковалентного зв'язку, отримавши додаткову енергію W> # 8710; W, стає електроном провідності. т. е. вільним носієм заряду. Він може переміщатися між атомами кристалічної решітки, а при русі великої кількості таких вільних електронів в одному напрямку, вони створюють електричний струм. Його колишнє місце тепер вільно. Це і є дірка, зображена на рис.3 світлим кружком.
При доречний електропровідності під впливом прикладеної різниці потенціалів переміщаються дірки, що еквівалентно переміщенню позитивних зарядів. Такий процес показаний на рис.4, де зображено для різних моментів часу кілька атомів, розташованих уздовж напівпровідника.
Нехай в початковий момент часу (рис. 4, а) в крайньому атомі зліва (номер 1) з'явилася дірка, внаслідок того що з цього атома пішов електрон, тобто став вільним.
Атом з діркою (він заштрихован) має поклади-вальний заряд і може притягнути до себе електрон із сусіднього атома номер 2.
Якщо в напівпровіднику діє електричне поле (різниця потенціалів), то це поле прагне рухати електрони в напрямку від негативного потенціалу до позитивного. Тому в наступний момент (рис.4, б) з атома 2 один електрон перейде в атом 1 і заповнить дірку, а нова дірка утворюється в атомі 2. Далі один електрон з атома 3 перейде в атом 2 і заповнить в ньому дірку. Тоді дірка виникне в атомі 3 Рис. 4 (рис.4, в) і т.д.
Такий процес буде тривати, і дірка перейде з крайнього лівого атома 1 в крайній правий під номером 6. Інакше кажучи, спочатку що виник в атомі 1 позитивний заряд перейде в атом 6 (рис.4, е).
Як видно, при доречний електропровідності в дійсності теж переміщаються електрони. але більш обмежено, тобто пройдену відстань менше, ніж при електронної електропровідності, коли електрон може рухатися в кристалічній решітці. Мал. 5
При доречний електропровідності електрони переходять з даних атомів тільки в сусідні. Результатом цього є переміщення позитивних зарядів - дірок в напрямку, протилежному руху електронів.
Електропровідність напівпровідників може бути також пояснена їх енергетичної діаграмою (рис.5).
При температурі абсолютний нуль, тобто Т = 0ДО = - 273ºС, напівпровідник, який не містить домішок, є діелектриком, в ньому немає електро-нів і дірок провідності. Але при підвищенні температури Т> 0ДО електропровідність напівпровідника зростає, так як електрони валентної зони отримують при нагріванні додаткову енергію [4] W = kT і за рахунок цього деякий їх кількість долає заборонену зону і переходить з валентної зони в зону провідності. Цей перехід показаний на рис.6 суцільною стрілкою.
Ширина забороненої зони # 8710; W у напівпровідників порівняно невелика (для германію # 8710; W = 0,72 еВ, а для кремнію # 8710; W = 1,12 еВ).
Таким чином, з'являються електрони провідності і виникає електронна електропровідність. Кожен електрон, який перейшов в зону провідності, залишає в валентної зоні вільне місце - дірку, т. Е. В валентної зоні виникають дірки провідності. число яких дорівнює числу електронів, які перейшли в зону провідності. Отже, разом з електронною створюється і діркова електропровідність.
2.2. Генерація та рекомбінація носіїв заряду. Електрони і дірки, які можуть переміщатися і тому створювати електропровідність, називають рухомими носіями заряду або просто носіями заряду.
Прийнято говорити, що під дією теплоти відбувається генерація пар носіїв заряду, т. Е. Виникають пари: електрон провідності - дірка провідності або пара - вільний електрон-дірка. Також генерація пар носіїв може відбуватися під дією: світла, іонізуючого випромінювання здійснюватиме, електричного поля, магнітного поля, механічних напруг і інших зовнішніх впливів.
Внаслідок того що електрони і дірки провідності здійснюють безладне, хаотичне рух за рахунок тепла, обов'язково відбувається і процес, зворотний генерації пар носіїв: електрони провідності знову займають вільні місця в валентної зоні, т. Е. Об'єднуються з дірками. Таке зникнення пар носіїв називається рекомбінацією носіїв заряду. Цьому процесу відповідає показаний штриховою стрілкою на рис.5 перехід електрона із зони провідності в валентну зону.
Процеси генерації і рекомбінації пар носіїв завжди відбуваються одночасно. Рекомбінація обмежує зростання числа пар носіїв, і при даній температурі встановлюється певна кількість електронів і дірок провідності. т. е. вони знаходяться в стані динамічної рівноваги (число електронів дорівнює числу дірок). Це означає, що генеруються все нові і нові пари носіїв, а раніше виниклі пари рекомбінують, тобто зникають, перетворюючи іони в нейтральні атоми.
2.3. Власна провідність напівпровідника. Чистий напівпровідник, без домішок, називають власним напівпровідником або напівпровідником i - типa. Буква i - від англійського слова intrinsic - власний.
Він володіє власною електропровідністю. яка, як було показано, складається з електронної та діркової електропровідності - в створенні струму беруть участь і дірки і електрони.
При вивченні принципу роботи напівпровідникових приладів власні напівпровідники, тобто чисті без домішок, зображують у вигляді прямокутника із зазначенням типу провідності - букви i (рис.6).