Струм в напівпровідниках

Струм в напівпровідниках, як і струм в провідниках це впорядкований рух носіїв зарядів. У провідниках цими зарядами є вільні електрони, а в напівпровідниках можливі два типи провідності електронна і діркова. При цьому електричний опір напівпровідника знаходиться десь між опором провідника і діелектрика.

Одним з основних відмінностей напівпровідників від провідників є залежність опору від температури. У провідниках зі зниженням температури опір зменшується через зменшення теплового руху перешкоджає току, а в напівпровідниках збільшується.

Розберемося, чому це відбувається на прикладі атома германію типового напівпровідника. У цього атома на зовнішній орбіті перебувають чотири валентних електрони. Зв'язок між атомами в кристалі відбувається парами валентних електронів. Кожен такий електрон належить одразу двом атомам. Зв'язок валентних електронів значно сильніше, ніж в металах при кімнатній температурі і тому їм важко відриваються від атома. Таким чином, електронів провідності дуже мало. Отже, опір велике.

Зі збільшенням температури електрони отримують енергію і здатні покинути атом. У атома, що залишився без електрона, з'являється вакансія на зовнішній орбіті, яку тут же займає електрон від іншого атома. Атом з вакансією називається діркою. При певній температурі процес появи вакансій і відновлення електронного зв'язку тобто рекомбінація йдуть безперервно.

При приміщенні напівпровідника в електричне поле впорядковано рухатися починають не тільки електрони, але і дірки. Дірки в цьому випадку поводяться як частки заряджені позитивно.

Малюнок 1 - Кристалічна решітка напівпровідника германію

Кількість електронів дорівнює кількості дірок тільки у чистих напівпровідників їх провідність називається власною. Якщо до напівпровідника додати домішка, то характер провідності змінюється. Розрізняють два типи провідності електронна і діркова.

Електронна провідність це коли до атому германію з чотирма електронами додати атом миш'яку, у якого п'ять валентних електронів. Таким чином, з'являється один зайвий електрон не зайнятий в зв'язках. Він легко відривається від атома миш'яку, який в цьому випадку стає позитивним іоном. Домішка з більше валентністю, ніж основний напівпровідник називається донорной.

Малюнок 2 - Кристалічна решітка з донорной домішкою

В результаті додавання домішки з'являється велика кількість вільних електронів, і питомий опір всього провідника зменшується на порядки навіть, наближається до опору провідника.

Оскільки основними носіями зарядів є електрони, то напівпровідник називається напівпровідником n типу.

Діркова провідність це коли до чотирьохвалентного атому германію додати трьох валентний атом, наприклад атом індію. У цьому випадку три електрони атома індію встановлюють зв'язок з атомами германію. А на освіту четвертої зв'язку атом індію забирає електрон у сусіднього атома германію. Тоді атом індію перетворюється в негативний іон. І утворюються дірки з атомів германію з відсутніми електронами.

Малюнок 3 - Німеччиною з домішкою індію

Домішки вводяться для отримання вакансій називаються акцепторними. З їх введенням в напівпровідник збільшується кількість дірок, за рахунок цього у нього зменшується питомий опір. Кількість дірок стає значно більше, ніж кількість електронів, така провідність називається доречний. А напівпровідник з доречнийпровідністю називається напівпровідником p типу.