• Главная
  • rss-лента сайта solo-project.com

Собственная проводимость полупроводника. электроны и дырки

Можно ли почувствовать ложку дегтя в бочке меда? Итак, зонная модель полупроводника имеет следующий вид: некоторое число электронов, на нашем рисунке — шесть, преодолело запрещенную зону и находится в зоне проводимости (рис. 23). Эти электроны, как и электроны металла, «забыли» свои атомы и являются свободными. Они способны передвигаться и создавать электрический ток. Однако в полупроводнике, в отличие от металла, значительная часть электронов осталась в валентной зоне. В валентной зоне появилось лишь некоторое число незаполненных уровней, которые раньше были заняты электронами, перешедшими в зону проводимости. Незаполненные уровни энергии в валентной зоне называются дырками.


Собственная проводимость полупроводника. электроны и дырки, статьи для начинающих


Термин «hole» в буквальном переводе «отверстие», «дырка» был впервые введен в научной литературе на английском языке. Он прочно вошел в употребление и стал настолько привычным, что сейчас ни у кого не вызывает улыбки.

Какое движение электронов возможно в валентной зоне? Наличие дырок — свободных ступенек в валентной зоне — позволяет электронам переходить на эти ступеньки. Электрон при этом покидает одну связь между ионами и переходит на другую. А это значит, что освобождается место на ступеньке, которую покинул электрон, т. е. что дырки переместились из одного места в другое (рис. 24). Значит, в валентной зоне способны перемещаться дырки, имеющие положительный заряд. Действительно, если недостает электрона в оболочке атома, то заряд всех электронов атома уже не может полностью скомпенсировать положительный заряд ядра. Итак, в валентной зоне способны перемещаться положительно заряженные дырки. Эго и есть те самые положительные заряды, которые обнаруживаются в опыте Холла с полупроводником.


Собственная проводимость полупроводника. электроны и дырки, статьи для начинающих


На самом деле перемещаются в веществе все те же электроны. Но, когда мы имеем дело с вакантным местом в валентной зоне, т. е. дыркой, переход валентного электрона на это место аналогичен перемещению самого вакантного места — дырки — в противоположном направлении. В квантовой физике показывается, что такое движение валентных электронов действительно очень точно заменяется движением положительных дырок. Очевидно, что если все уровни валентной зоны свободны, т. е. она «вся в дырках», то говорить о перемещении этих дырок бессмысленно. Именно это и имеет место в металлах.


Собственная проводимость полупроводника. электроны и дырки, статьи для начинающих


Изобразим теперь условно кристаллическую решетку полупроводника на примере германия (рис. 25). Условность рисунка состоит в том, что мы не отражаем на нем истинную объемную структуру решетки, а заменяем ее упрощенной плоской моделью. Однако главная особенность решетки германия на рисунке отображена, а именно черточками обозначены связи между ионами, т. е., образно говоря, «руки», которыми ионы решетки удерживаются на своих местах. Между каждой парой соседних ионов «протянуто по две руки», на каждой из которых может располагаться один валентный электрон, обозначенный на рисунке точкой. Заряд иона по числу валентных электронов мы положили равным +4 единицам. Остальной заряд (+ 28 единиц) скомпенсирован электронами па внутренних оболочках атома, и мы можем о нем забыть. Если «рука» потеряла валентный электрон, то на этом месте образуется дырка, обозначенная на рисунке знаком «плюс». Всего на рисунке показано девять дырок и соответственно девять оторвавшихся электронов, обозначенных знаками «минус».

Нарисованная картина предполагает, что кристалл состоит только из атомов германия, т. е. что он абсолютно чистый — не содержит никаких примесей. Такой кристалл назвали собственным, а его проводимость — собственной или беспримесной. Очевидно, что в собственном кристалле число свободных электронов и дырок всегда одинаково — каждый отрыв электрона сопровождается образованием дырки. Поэтому электрический ток в собственном полупроводнике в равной степени образуется как положительными, так и отрицательными зарядами.

Как вы думаете, какой результат в этом случае покажет опыт Холла? Вспомните, как ставился этот опыт. Брусок полупроводникового материала, по которому чечет первичный ток, помещается в магнитное ноле. Если этот ток образуется одинаковым числом электронов и дырок (причем электроны и дырки отклоняются в магнитном поле в одну и ту же сторону в одинаковой степени), то ясно, что суммарный отклоненный заряд близок к нулю (рис. 26). Это значит, что никакого заметного вторичного тока мы в этом случае наблюдать не должны.


Собственная проводимость полупроводника. электроны и дырки, статьи для начинающих


Тем по менее многочисленные опыты по схеме Холла показывают движение или только положительных и in только отрицательных зарядов. В каких же полупроводниковых веществах это наблюдается? Это наблюдается только в полупроводниковых веществах, содержащих примеси чужеродных атомов. И эксперимент, и современная теория показывают, что весьма малое содержание примеси, например, когда па 10000 атомов полупроводника приходится лишь один «чужой» атом, изменяет способность полупроводника проводить электрический ток в Десятки и сотни раз. Поэтому мы должны сейчас вылепить, какую роль играют атомы примеси в процессе образования электрической проводимости полупроводника.




Похожие записи

Сначала полупроводник очистим, затем его «загрязним». Введем в кристалл германия некоторое количество атомов фосфора (Р). Это можно осуществить, например, следующим способом.

читать далее

Фотоны нарушают равновесие в полупроводнике. Чувствителен ли полупроводник к потоку фотонов? Пусть собственный полупроводник (примесей нет!) долгое время находится при комнатной температуре...

читать далее

Варикапы

04.02.11

Р—n-переход накапливает заряды. Слово «варикап» составлено из двух английских слов — to vary — изменяться и capacitance — емкость...

читать далее