Собственная электропроводность полупроводников

Из-за относительно узкой запрещенной зоны у германия и кремния уже при комнатной температуре некоторые электроны получают энергию, достаточную, чтобы преодолеть запрещенную зону и перейти в зону проводимости. При уходе электрона в валентной зоне остается незаполненный энергетический уровень – дырка. В нормальном (не возбужденном) состоянии атом электрически нейтрален, так как положительный заряд ядра компенсируется соответствующим количеством электронов, имеющих отрицательный заряд. Поэтому уход одного электрона приводит к тому, что атом приобретает положительный заряд. Таким образом, дырка – это положительный заряд, равный заряду электрона. В кристаллической решетке при этом происходит разрыв одной из валентных связей и появление свободного электрона, который может свободно перемещаться по кристаллу, и дырки – атома, лишенного одного из электронов связи. Оборванная связь может быть восстановлена, если ее заполнит электрон из соседнего атома.

Процесс восстановления связей за счет перемещения электронов от одного атома решетки к другому можно представить в виде противоположного направленного движения дырок. Таким образом, в кристалле возможно перемещение, как свободных электронов (отрицательных зарядов), так и дырок (положительных зарядов).

Процесс образования в чистом полупроводнике пары электрон-дырка получил название генерации собственных носителей заряда. Одновременно с процессом генерации носителей заряда протекает процесс их рекомбинации – встречи электронов с дырками, сопровождающийся возвратом электрона из зоны проводимости в валентную зону и исчезновением свободных зарядов. Среднее время между моментами генерации и рекомбинации называется временем жизни носителей заряда.

Благодаря рекомбинации количество носителей заряда в полупроводнике не увеличивается и при постоянной температуре неизменно. Концентрации электронов n_i и дырок p_i в чистом полупроводнике равны: p_i = n_i. В рабочем диапазоне температур концентрация электронов и дырок в чистом полупроводнике мала и по своим электрическим свойствам чистый полупроводник близок к диэлектрикам.