ПРОВОДИМОСТЬ ЧИСТЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ. СОБСТВЕННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ

Работаем с рисунками. Этот материал является продолжением предыдущего "Введение в зонную теорию проводимости". Рассмотрите окно анимации (см. справа). При наведении мыши поверх рисунка появляются элементы управления. Стрелками вы можете листать картинки вперёд или назад, а точками внизу включить показ произвольного рисунка. Номера рисунков см. внизу слева. Максимально внимательно разглядывайте рисунки, умейте найти на них и понять в деталях всё, что описано в тексте к данному рисунку.

1. Итак, при температуре абсолютного нуля (Т = 0К) в первом приближении все атомы находятся в покое, все электроны заполняют валентную зону. Именно такое состояние изображено на рис. 1. Рассмотрите его как следует, нам предстоит с ним работать.
Здесь изображён важный для нашего разговора фрагмент рисунка 6 из предыдущей страницы. По вертикали здесь отложено не расстояние до ядра атома, а энергия электронов Е. Почему при образовании кристалла появляются целые зоны из простых электронных орбит, вы уже знаете. Ознакомьтесь с принятыми у нас обозначениями, всякая схема есть условность, упрощённое представление о реальности. Также важно заметить, что все электроны находятся сугубо в валентной зоне, заполняя все вакантные места в ней, а зона проводимости пуста. При Т = 0 К чистый полупроводник, не имеющий дефектов в кристаллической решётке, не проводит электрический ток, ибо нет свободных переносчиков заряда. Но так будет не всегда.
Выращивание монокристаллов чистейших полупроводников настоящее искусство! На это работает в настоящее время целая отрасль промышленности, а когда-то в лаборатории чуть не кустарным способом мы "варили" маленькие кружочки, дрожа над ними целый месяц.

2. Под действием внешних факторов некоторые валентные электроны атомов кристаллической решетки приобретают энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей. Так, при температурах выше абсолютного нуля атомы твердого тела колеблются около узлов кристаллической решетки. Чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний. Время от времени энергия этих колебаний сообщается какому-либо электрону, в результате чего его полная энергия оказывается достаточной для перехода из валентной зоны в зону проводимости (см. рис. 2, наблюдайте переход электронов из валентной зоны в зону проводимости, где они становятся свободными).
Сам процесс генерации усиливается при повышении температуры полупроводника, воздействии на него светом или иным способом.
Энергию необходимую электрону для перехода из валентной зоны в зону проводимости называют уровнем Ферми (E_F).
При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает как бы свободное место, обладающее элементарным положительным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона. Такое освободившееся в электронной связи место условно назвали дыркой, а процесс образования пары электрон – дырка получил название генерации зарядов (на рис. 2 наблюдайте образование дырок в валентной зоне). Поскольку при генерации образуется пара частиц - электрон и дырка - E_F для чистого полупроводника (без примесей) равна половине ширины запрещённой зоны. E_F = ΔE/2 (по половинке энергии на каждый носитель). Дырка обладает положительным зарядом, поэтому она может присоединить к себе электрон соседней заполненной ковалентной связи. В результате этого восстанавливается одна связь (этот процесс называют рекомбинацией) и разрушается соседняя или, другими словами заполняется одна дырка и одновременно с этим возникает новая в другом месте. Такой генерационно-рекомбинационный процесс непрерывно повторяется, и дырка, переходя от одной связи к другой, будет перемещаться по кристаллу, что равносильно перемещению положительного заряда, равного по величине заряду электрона.
Наблюдайте на рис. 2 процесс генерации и рекомбинации электронно-дырочных пар. Этот процесс носит случайный характер. Он неизменно сопровождается рекомбинацией. Появившаяся дырка заполняется не обязательно своим электроном, это может быть и электрон с другого уровня валентной зоны.

3. Иначе изобразим наш полупроводник (см. рис. 3). Физики всегда так делают, чтобы на рисунке выделить самое важное в данный момент.
Мы поняли из предыдущего, откуда берутся свободные носители зарядов в полупроводнике. Это электроны и дырки, возникающие, например, при тепловом (хаотическом) столкновении атомов. Теперь самое главное, а как возникает ток в полупроводнике?
На рис. 3 мы уже видим не энергетическую диаграмму, а сам кусок полупроводника, ну, скажем, кремния. Не будем изображать всё, что мы знаем об устройстве твёрдого тела, а оставим только важные для нас свободные электроны и дырки. В химически чистом кристалле полупроводника число дырок всегда равно числу свободных электронов. Понятно, свободные электроны в обобществлённой зоне проводимости гуляют, как хотят, участвуя в обычном тепловом движении. Дырки в принципе привязаны к своим атомам в валентной зоне, но, как раз благодаря свободным местам (дыркам) в валентной зоне электроны могут перемещаться от дырки к дырке. Когда электрон заполняет дырку, то и дырка, и электрон исчезают, плюс на минус дают нуль, электрон больше не свободен. Но зато он может перескочить в другую дырку, а на его месте образуется новая. Дырка как бы сменяет место жительства. Условно можно считать такое исчезновение дырки в одном месте и появление в другом - виртуальным перемещением. Это возможно, благодаря нашим зонам, в которых энергии уровней соседних атомов так мало отличаются друг от друга, что и теплового движения достаточно для перемещения электронов в валентной зоне (на рис 3 наблюдайте перемещение дырок).

4. Для создания тока подключим наш полупроводник к источнику тока (рис. 4). Источник тока создаёт разность потенциалов на концах проводника, а в этом электрическом поле электроны подвергаются действию электрической (кулоновской) силы, и потому начинают двигаться преимущественно в одном направлении, одновременно, разумеется, продолжая участвствовать и в тепловом движении. Такая проводимость называется электронной. (Пока забудем о дырках). Тепловое движение вносит сумятицу в направленное движение электронов, но, если следить только за одним из электронов, то в целом можно завметить его направленное движение в полупроводнике слева направо.
Попадая затем в провод, присоединённый к полупроводнику, электроны под действием всё той же силы Кулона бегут к источнику тока. Там они получают порцию энергии, и готовы пуститься с новыми силами к своему полупроводнику.
Не остаются в стороне и дырки (см. рис. 5). (Теперь на минутку забудем об электронах). Казалось бы, куда им, привязанным к своим атомам? Но нет. Если есть дырки, это значит, у электронов валентной зоны есть возможность перемещаться, почти как, если бы они были в валентной зоне. Разница в том, что электроны перескакивают от дырки к дырке, двигаясь по ним, как по кочкам в своём направлении. При этом складывается полное ощущение, что в противоположную сторону электронам движутся дырки ровно, как положительно заряженные частицы. Оказывается пустое место может играть большую роль в физических процессах. Движется то, чего нет, перенося при этом виртуальный положительный заряд. Такая проводимость называется дырочной, хотя по сути она та же электронная, только механизм другой.
На самом деле электрический ток в полупроводнике образуется в результате одновременного переноса зарядов обоих знаков (см. рис. 6). Такая электронно-дырочная проводимость называется собственной проводимостью полупроводника. При этом ток в полупроводнике всегда равен сумме электронного и дырочного токов: I =I_э + I_д.

Итог. При 0 К полупроводник не проводит электрический ток - нет свободных носителей зарядов. Обычно же, благодаря тепловому движению атомов, в полупроводнике всегда имеется некоторое количество свободных электронов в зоне проводимости и соответственно дырок в валентной зоне. При появлении в полупроводнике электрического поля свободные электроны начинают двигаться направленно, участвуя в переносе электрического заряда, то есть создании электрического тока. Одновременно электроны валентной зоны за счёт имеющихся дырок получают возможность перемещаться от дырки к дырке, что также создаёт электрический ток. Чистый полупроводник обладает собственной, иначе электронно-дырочной проводимостью при температурах выше абсолютного нуля.,

Счастливых открытий!

Проверьте себя, как вы усвоили тему. Правильные ответы будут отмечены зелёной птичкой, а неправильные красным крестиком, когда вы в конце нажмёте кнопку "Отвечаю". Дробные числа вводятся через точку.