Собственные полупроводники

Собственный полупроводник ― это чистый полупроводник, без примесей. Рассмотрим кремний, элемент IV группы таблицы Менделеева. Кремний образует алмазоподобную гранецентрированную кубическую решётку, в которой атом, расположенный в узле кристаллической решётки, окружён четырмья другими атомами и связан с ними ковалентной связью. Каждый внешний электрон принадлежит одновременно двум атомам и таким образом во внешней оболочке атомов содержится по восемь электронов (рис. 3.2а). Все электроны внешних оболочек участвуют в образовании ковалентных связей, а свободные носители зарядов, создающие электропроводность, отсутствуют.

Рис.3.2 Модель кристаллической решётки кремния при отсутствии внешнего электрического поля (а) и при приложении внешнего электрического поля (б).

Для того чтобы в полупроводнике появились свободные носители зарядов необходимо ему сообщить дополнительную энергию достаточную для разрыва ковалентной связи и перевода электрона в зону проводимости. Величина этой энергии определяется шириной запрещённой зоны и называется энергией активации.

При разрыве ковалентной связи освободившийся электрон переходит в зону проводимости, а в валентной зоне образуется вакантное место дырка, которая в кристаллической решётке ведёт себя как положительно заряженная частица с массой и зарядом электрона.

При отсутствии внешнего электрического поля дырка и электрон совершают хаотическое движение. Дырка в отличие от электрона не перемещается по кристаллу. За счёт энергии тепловых колебаний решётки электрон соседнего атома может заполнить ковалентную связь в атоме с дыркой. Атом становится нейтральным, а в атоме, потерявшем электрон, образуется дырка (рис.3.2 б). Таким образом, создаётся впечатление движения дырок.

Процесс образования свободных электронов проводимости и дырок называется генерацией электронно–дырочных пар.

Одновременно с генерацией пар в полупроводнике происходит обратный процесс возвращения электронов из зоны проводимости в валентную зону с выделением кванта энергии. Этот процесс называется рекомбинацией носителей зарядов.

При действии на полупроводник внешнего электрического поля отрицательно заряженные электроны перемещаются в направлении, противоположном направлению внешнего поля, а дырки ― в направлении внешнего поля.

Проводимость полупроводника возникающая в результате разрыва собственных ковалентных связей, называется собственной проводимостью.