Полупроводники играют огромную роль в современной электронике. Без полупроводников возможности микроминиатюризации устройств были бы крайне ограничены. Рассмотрим особенности собственной проводимости полупроводников кратко.
Типичный диэлектрик – стекло или пластмасса. Если свободных носителей много, и основные носители высокоподвижны – вещество является проводником. Типичный пример – металлы.
Существует также класс веществ, занимающий промежуточное положение. В таких веществах имеются носители заряда, однако их подвижность невысока, поэтому, хотя такие вещества и проводят электрический ток, при этом они имеют довольно высокое сопротивление. Эти вещества называются полупроводниками.
Главная особенность полупроводников – возможность управления проводимостью, что и обеспечило широкое применение их в последние полвека.
Полупроводниковая кристаллическая решетка
Для понимания особенностей полупроводников, рассмотрим кристаллическую решетку типичного полупроводника – германия или кремния.
Связь между атомами в кристалле полупроводника ковалентная. То есть, электронные орбиты соседних атомов перекрываются, и электроны становятся общими так, чтобы общее количество электронов в оболочке каждого атома пришло к энергетически устойчивому числу – 8 электронов.
Кремний четырехвалентен, в его электронной оболочке четыре электрона, и в кристаллической решетке он имеет четырех соседей. В результате кремнию «энергетически выгодно» образовать четыре двухэлектронных ковалентных связи с соседними атомами. В электронной оболочке каждого атома станет по 8 электронов – четыре своих, и по одному от каждого из соседей. Электроны оказываются «общими для всего кристалла». Подойдя по орбите к одному атому, они могут продолжить движение по орбите другого атома, потом третьего, и так далее.
Электронная проводимость
Хотя электроны являются «общими для кристалла», если их энергия мала, то и подвижность их ограничивается лишь электронными орбитами, свободными они не являются, и проводить электрический ток не могут.
По мере увеличения температуры вещества энергия электронов также увеличивается, и начинает быть достаточной выхода за пределы электронной орбиты и разрыва ковалентной связи.
Электрон при этом оказывается в пространстве между ионами, вне «своей» орбиты, и может перемещаться под действием внешнего электрического поля – он становится свободным носителем. По мере возрастания температуры, таких электронов-носителей становится все больше, проводимость кристалла растет.
Описанный механизм называется электронной проводимостью полупроводника.
Дырочная проводимость
Возникновение свободных электронов в полупроводнике сопровождается разрывом связей, в результате которого появляются ионы с «вакантным» местом в связи.
Поскольку электроны в ковалентных связях общие – то электрон, двигавшийся по орбите одной связи, подходя к атому, может начать движение по связи, в которой до этого не хватало электрона. В результате связь, содержащая «вакантное» место – переместится в противоположном направлении, теперь связь, которая до этого была полной – станет неполной, а связь с «вакантным» местом – теперь заполнится.
Связь, имеющая недостаток электронов, и способная принять электрон, называется «дыркой». Движение электрона от полной связи к дырке, с ее заполнением и образованием дырки на прежнем месте – фактически, является движением дырки в противоположную сторону.
Таким образом, дырки не являются статичными, они могут двигаться также, как и свободные электроны, обеспечивая проводимость полупроводника.
Описанный механизм проводимости называется дырочным.
Что мы узнали?
Существует класс веществ, который занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками – полупроводники. Собственная проводимость полупроводников обеспечивается двумя механизмами. Энергичные электроны могут покидать ковалентные связи, и становиться свободными. Это электронная проводимость. Связь, в которой при этом не хватает электрона, называется дыркой. Она может быть заполнена электроном из соседней связи с образованием дырки в соседней связи. Это дырочная проводимость.
