Власна провідність

Якщо включити в електричний ланцюг напівпровідниковий елемент і почати його нагрівати, то сила струму в ланцюзі зростає. Отже, опір напівпровідника зменшується із зростанням температури. Чому це відбувається?

При підвищенні температури теплові коливання атомів кремнію стають інтенсивнішими, і енергія валентних електронів зростає. У деяких електронів енергія досягає значень, достатніх для розриву ковалентних зв’язків. Такі електрони залишають свої атоми і стають вільними (або електронами провідності) – точно так само, як в металі. У зовнішньому електричному полі вільні електрони починають впорядкований рух, утворюючи електричний струм.

Чим вище температура кремнію, тим більше енергія електронів, і тим більша кількість ковалентних зв’язків не витримує і рветься. Число вільних електронів в кристалі кремнію зростає, що й призводить до зменшення його опору.

Розрив ковалентних зв’язків і поява вільних електронів показаний на рис. 3.68. На місці розірваної ковалентного зв’язку утворюється дірка – вакантне місце для електрона. Дірка має позитивний заряд, оскільки з відходом негативно зарядженого електрона залишається нескомпенсований позитивний заряд ядра атома кремнію. Дірки не залишаються на місці – вони можуть блукати по кристалу. Справа в тому, що один з сусідніх валентних електронів, «подорожуючи» між атомами, може перескочити на утворилося вакантне місце, заповнивши дірку; тоді дірка в цьому місці зникне, але з’явиться в тому місці, звідки електрон прийшов.

При відсутності зовнішнього електричного поля переміщення дірок носить випадковий характер, бо валентні електрони блукають між атомами хаотично. Однак в електричному полі починається спрямований рух дірок. Чому? Зрозуміти це нескладно.

Куди зміститься дірка? Ясно, що найбільш вірогідні перескоки «електрон ^ дірка» в напрямку проти ліній поля (тобто до «плюсів», що створює поле). Один з таких перескоків показаний в середній частині малюнка: електрон стрибнув вліво, заповнивши вакансію, а дірка, відповідно, змістилася вправо. Наступний можливий стрибок електрона, викликаний електричним полем, зображений у правій частині малюнка; в результаті цього стрибка дірка зайняла нове місце, розташоване ще правіше.

Ми бачимо, що дірка в цілому переміщується у напрямку ліній поля – тобто туди, куди і годиться рухатися позитивний заряд. Підкреслимо ще раз, що спрямований рух дірки уздовж поля викликано перескоками валентних електронів від атома до атома, що відбуваються переважно в напрямку проти поля.

Таким чином, в кристалі кремнію є два типи носіїв заряду: вільні електрони й дірки. При накладенні зовнішнього електричного поля з’являється електричний струм, викликаний їх впорядкованим зустрічним рухом: вільні електрони переміщаються протилежно вектору напруженості поля E, а дірки – в напрямку вектора E.

Виникнення струму за рахунок руху вільних електронів називається електронною провідністю, або провідністю п-типу. Процес упорядкованого переміщення дірок називається доречнийпровідністю, або провідністю p-тіпа34. Обидві провідності – електронна та діркова – разом називаються власною провідністю напівпровідника.

Кожен догляд електрона з розірваною ковалентного зв’язку породжує пару «вільний електрон-дірка». Тому концентрація вільних електронів в кристалі чистого кремнію дорівнює концентрації дірок. Відповідно, при нагріванні кристала збільшується концентрація не тільки вільних електронів, але і дірок, що призводить до зростанню власної провідності напівпровідника за рахунок збільшення як електронної, так і доречний провідності.

Поряд з утворенням пар «вільний електрон-дірка» йде і зворотний процес: рекомбінація вільних електронів і дірок. А саме, вільний електрон, зустрічаючись з діркою, заповнює цю вакансію, відновлюючи розірвану ковалентний зв’язок і перетворюючись на валентний електрон. Таким чином, в напівпровіднику встановлюється динамічна рівновага: середнє число розривів ковалентних зв’язків і утворюються електронно-доручених пар в одиницю часу дорівнює середньому числу рекомбінуючих електронів і дірок. Цей стан динамічної рівноваги визначає рівноважну концентрацію вільних електронів і дірок у напівпровіднику за даних умов.

Зміна зовнішніх умов зміщує стан динамічної рівноваги в ту чи іншу сторону. Рівноважне значення концентрації носіїв заряду при цьому, природно, змінюється. Наприклад, число вільних електронів і дірок зростає при нагріванні напівпровідника або при його освітленні.

При кімнатній температурі концентрація вільних електронів і дірок у кремнії приблизно дорівнює 1010 см-3. Концентрація ж атомів кремнію – порядку тисячі двадцять дві см-3. Іншими словами, на 1012 атомів кремнію припадає лише один вільний електрон! Це дуже мало. У металах, наприклад, концентрація вільних електронів приблизно дорівнює концентрації атомів. Відповідно, власна провідність кремнію та інших напівпровідників при нормальних умовах мала в порівнянні з провідністю металів.

Посилання на основну публікацію