Электронная и дырочная проводимость

Полупроводники представляют собой вещества, которые по удельной электрической проводимости занимают среднее положение между проводниками и диэлектриками. Для полупроводников характерен отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления. При возрастании температуры сопротивление полупроводников уменьшается, а не увеличивается, как у большинства твёрдых проводников.

При обычных рабочих температурах в полупроводниках всегда имеются так называемые электроны проводимости, которые слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое движение между атомами. Эти электроны под воздействием разности потенциалов могут начать двигаться в определённом направлении. Такое дополнительное движение и есть электрический ток.

Полупроводники обладают так же и дырочной проводимостью, которая не наблюдалась у металлов, поэтому рассмотрим её подробнее.

В атоме полупроводника под влиянием тепловых или иных воздействий один из наиболее удалённых от ядра валентных электронов переходит в зону проводимости. Тогда атом будет иметь положительный заряд. Отсутствие электрона в атоме условно назвали дыркой. Этим подчёркивается, что в атоме не хватает одного электрона, то есть образовалось свободное место.

Рис. 1.5. Возникновение пары электрон-дырка

Возникновение дырки объясняется с помощью следующего рисунка.

Один из электронов, участвующий в ковалентной связи, получив дополнительную энергию, становится электроном проводимости и может свободно перемещаться в кристаллической решётке. А его прежнее место остаётся свободным. Это и есть дырка, изображённая на рисунке светлым кружочком.

При дырочной электропроводности под влиянием приложенной разности потенциалов перемещаются дырки.

Пусть в начальным момент времени (рис. 1.4а) в крайнем слева атоме появилась дырка, вследствие того, что из атома ушёл электрон. Атом с дыркой (на рисунке заштрихован) имеет положительный заряд и может притянуть к себе электрон из соседнего атома 2.

Если в полупроводнике действует электрическое поле (разность потенциалов) то это поле стремится двигать электроны в направлении отрицательного потенциала к положительном. Поэтому в следующий момент (рис. 1.4б) из атома 2 один электрон перейдёт в атом 1 и заполнит дырку, а новая дырка образуется в атоме 2, и так далее.

Такой процесс будет продолжаться, и дырка перейдёт из крайнего левого атома в крайний правый. Иначе говоря, первоначально возникший в атоме 1 положительный заряд перейдёт в атом 5.

Рис. 1.6. Принцип дырочной электропроводности

1.1.3. Энергетические (зонные) диаграммы полупроводников.

Электроны внешней оболочки атома заполняют ряд энергетических уровней, составляющих валентную зону. Валентные электроны участвуют в электрических и химических процессов.

Рассмотрим энергетические уровни полупроводников. Выше валентной зоны расположена зона проводимости. Электроны этой зоны, называемые электронами проводимости, совершают беспорядочное движение внутри тела. Между валентной зоной и зоной проводимости находится так называемая запрещённая зона с шириной минимальной энергии, которую необходимо сообщить валентному электрону для того, что бы он смог оторваться от атома и стать свободным.