Власна електропровідність, залізна лабораторія
власна електропровідність
В ідеальному кристалі напівпровідника електропровідність здійснюється за рахунок руху рівної кількості вільних електронів і дірок. Така електропровідність називається власною.
Про процес виникнення електронів і дірок і їх рухливості було сказано вище. Розглянемо, від чого залежить їх концентрація.
Після виникнення вільний електрон пересувається на кілька міжатомної відстаней, зустрічає на своєму шляху в одній з ковалентних зв'язків дірку і заповнює її. Відбувається рекомбінація, т. Е. Зникнення вільного електрона і дірки в результаті їх з'єднання в нейтральну частку. Але внаслідок теплових коливань атомів з'являється інший вільний електрон і утворюється інша дірка і т. Д. Таким чином, безперервно виникають і зникають електрони і дірки, причому число пар, що виникають в одиницю часу, дорівнює кількості зникаючих. Тому при будь-якій температурі в кожен момент часу в ідеальному кристалі існує однакове число вільних електронів і дірок.
Число виникають вільних електронів і дірок залежить від величини енергії, необхідної для розриву зв'язку валентного електрона з ядрами атомів в даному матеріалі, і від температури. Підраховано, що в ідеальному кристалі германію при кімнатній температурі концентрація електронів або дірок я = 2,5-1013 1 / см3. При цьому власна провідність германію становить 2-10-2 1 / ом • см. У кремнії для розриву зв'язку електрона з ядром потрібна велика енергія. Тому концентрація електронів або дірок в кремнії менше і при кімнатній температурі становить 6,8 • 1010 1 / см3. Власна провідність кремнію дорівнює 1,57-10-5 l / ом см, т. Е. В 1300 разів менше, ніж у германію.
Простежимо залежність електропровідності від температури. Як згадувалося вище, електропровідність напівпровідників прямо пропорційна рухливості електронів і дірок і їх концентрації. З підвищенням температури концентрація вільних електронів і дірок різко зростає, так як більша кількість валентних електронів отримує енергію, достатню для розриву зв'язку з ядрами атомів. У той же час внаслідок збільшення теплових коливанні атомів кристалічної решітки рухливість електронів через додаткових гальмувань зменшується, але це зменшення незначно. Визначальним фактором є сильна залежність концентрації від температури. Тому з підвищенням температури електропровідність напівпровідників зростає. Підвищення температури на 1 ° С збільшує електропровідність напівпровідника на 3-6%, підвищення на 10 ° С - приблизно на 75%, а підвищення температури на 100 ° С - в 50 разів.
В металах концентрація вільних електронів постійна, вона становить 1 022 1 / см3 і від температури практично не залежить. Внаслідок сталості концентрації електропровідність металів цілком визначається рухливістю електронів. Тому з підвищенням температури електропровідність металів зменшується.