Носії електричного заряду
Найважливішим параметром будь-якої речовини є питомий електричний опір. Очевидно, що електропровідність, тобто здатність проводити електричний струм, має місце тільки в тому випадку, коли присутні вільні носії заряду, які можуть переміщатися під дією електричного поля або градієнта концентрації. Розглянемо процес утворення вільних носіїв заряду в напівпровіднику.
Беспрімесний і бездефектний напівпровідник з ідеальною кристалічною решіткою називається власним напівпровідником. Зазвичай він позначається як напівпровідник i-типу. При температурі абсолютного нуля в такому напівпровіднику немає вільних носіїв заряду і він є ідеальним ізолятором. У міру нагрівання виникають коливальні рухи атомів решітки. У корпускулярної інтерпретації носіями енергії механічних коливань решітки є квантові частинки - фонони.
З підвищенням температури кількість і енергія фононів зростають і вони стають здатними розривати ковалентні зв'язки між атомами решітки. Порушення ковалентного зв'язку призводить до утворення вільного електрона і незаповненою зв'язку - дірки поблизу того атома, від якого відірваний електрон (рис. 1.6).
Мал. 1.6. Процес утворення рухомих зарядів
Процес утворення електронно-доручених пар називається генерацією.
Незаповнена зв'язок може заповнюватися одним з валентних електронів суміжного атома. На місці цього електрона утворюється нова дірка, і процес повторюється. Отже, дірка поводиться подібно частці з позитивним зарядом. Дірки і вільні електрони здійснюють хаотичні рухи протягом деякого часу - часу життя, після чого попарно взаємно знищуються, т. Е. Відбувається процес, зворотний процесу генерації. Процес, зворотний процесу генерації, називається рекомбінацією.
Отже, у власних напівпровідниках є два типи вільних носіїв заряду - електрони і дірки. Причому електрони і дірки завжди генерують і рекомбинируют парами, а їх кількість
однаково.
Провідність власного напівпровідника, обумовлена парними носіями електричного заряду, називається власною провідністю.
Напівпровідник, у якого частина атомів кристалічної решітки заміщена атомами іншої речовини, називається домішковим. Провідність, обумовлена наявністю домішкових атомів, називається примесной провідністю.
Результати заміщення залежать від валентності домішкових атомів. Такі широко розповсюджені матеріали, як германій та кремній, є чотирьохвалентного. Тому, якщо ввести в них атом пятивалентного елемента, наприклад фосфору (P), сурми (Sb) або миш'яку (As), то чотири з п'яти валентних електронів цього елемента вступлять в зв'язок з чотирма електронами сусідніх атомів і утворюють стійку оболонку з восьми електронів. Дев'ятий електрон виявляється слабо пов'язаним з ядром пятивалентного елемента. Він легко відривається фононами і стає вільним. При цьому домішковий атом перетворюється в нерухомий іон з одиничним позитивним
зарядом.
Вільні електрони домішкового походження додаються до власних вільним електронам. Тому провідність напівпровідника стає переважно електронною. Такі напівпровідники називаються електронними або n-типу. Домішки, що зумовлюють електронну провідність, називаються донорними (віддають електрони).
Якщо в германій або кремній ввести атом тривалентного елемента, наприклад, галію (Ga) або алюмінію (Al), то всі три його валентних електрона вступлять в зв'язок з чотирма електронами сусідніх атомів. Для утворення стійкої восьміелементной оболонки потрібен додатковий електрон. Таким виявляється один з валентних електронів, який відбирається від найближчого атома. В результаті у цього атома утворюється незаповнена зв'язок - дірка, а атом домішки перетворюється в нерухомий іон з одиничним негативним зарядом.
Дірки примесного походження додаються до власних діркам, так що провідність напівпровідника стає переважно доречний. Такі напівпровідники називаються дірковими або p- типу. Домішки, що зумовлюють дірковий провідність, називаються акцепторними (захоплюючими електрони).