Электропроводность полупроводника

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.

Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).

Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

20 вопрос

Электронно-дырочный переход:

Любой полупроводниковый прибор основан на одном или нескольких электронно-дырочных переходах.

Электронно*дырочный переход (p_n переход) это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

Поскольку в полупроводнике n-типа концентрация электронов значительно превышает концентрацию дырок (n >> p),а в полупроводнике p_типа – наоборот (p >> n), то при контакте двух полупроводников разных типов начинается процесс диффузии: дырки из p_области стремительно диффундируют (переходят) в n_область, а электроны, наоборот, из n_области в p_область.

В результате диффузии в n_области на границе контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p_области, наоборот, уменьшается

концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, препятствующий дальнейшему

процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу. Такой слой называется

запирающим. p_n_переход обладает одной удивительной особенностью: односторонней проводимостью, то есть способностью пропускать электрический ток только в одну сторону.

Рассмотрим два возможных варианта подачи напряжения на p_n_переход:

1) положительный полюс источника соединен с p_областью, а отрицательный – с n_областью.

Тогда в силу притягивания разноименных зарядов друг к другу напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться. Естественно, это облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p_области и электроны из n_области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать p_n_переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через p_n_переход в этом случае будет

возрастать при увеличении напряжения источника.

2)Положительный полюс источника соединен с n_областью, а отрицательный – с p_областью.

Такое включение приведет к возрастанию напряженности поля в запирающем слое. Дырки в p_области и электроны в n_области небудут двигаться навстречу друг другу, что приведет к увеличению концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Следовательно, ток через p_n_переход практически не идет. Напряжение, поданное на p_n_переход при таком включении, называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p_области и дырок в n_области.