Высокая концентрация свободных электронов в металлах обуславливает их хорошую проводимость и низкое удельное сопротивление . В типичных изоляторах концентрация свободных зарядов ничтожна мала и удельное сопротивление достигает величин порядка . За последние десятилетия привлекли внимание физиков, и все шире внедряются в технику вещества с промежуточными свойствами – так называемые полупроводники, имеющие удельное сопротивление порядка .

К полупроводникам относятся многие химические элементы (элементы IV, V и VI групп Периодической системы элементов Менделеева), громадное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники.

Наиболее отчетливо полупроводники отличаются от проводников характером зависимости электропроводимости от температуры. При температурах близких к абсолютному нулю, удельное сопротивление полупроводников очень велико. Это означает, что при низких температурах полупроводник ведет себя как диэлектрик. По мере повышения температуры удельное сопротивление быстро уменьшается, и проводимость полупроводников приближается к проводимости металлов. Такой ход проводимости объясняется тем, что концентрация носителей тока (электронов проводимости) в металлах практически не зависит от температуры, а в полупроводниках носители тока сами возникают в результате теплового движения.

Чтобы познакомиться с механизмом проводимости в полупроводниках необходимо рассмотреть природу связей, удерживающих атомы полупроводникового кристалла друг возле друга.

Рассмотрим кристалл кремния. Кремний – четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней оболочке атома имеются четыре электрона, сравнительно слабо связанные с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырем. Плоская схема структуры кристалла кремния изображена на рис. 28.1.

рис 28.1

Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга.

Каждый атом образует четыре связи с соседними, и любой валентный электрон может двигаться по одной из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла. Валентные электроны принадлежат всему кристаллу.

Парноэлектронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкой температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение. Аналогичное строение имеет кристалл германия.

При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается, и наступает разрыв отдельных связей. В результате этого часть электронов, ранее участвовавших в образовании валентных связей, отщепляется и становится электронами проводимости. При наличии электрического поля они перемещаются против поля и образуют электрический ток (рис. 28.2).

рис 28.2

Проводимость полупроводников обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью. При повышении температуры число разорванных связей, а значит и свободных электронов увеличивается. Это приводит к уменьшению сопротивления.

Однако кроме процесса переноса заряда с помощью электронов проводимости, возможен еще и другой механизм электропроводности. Он обусловлен тем, что всякий разрыв валентной связи приводит к появлению вакантного места с отсутствующей связью. Такое «пустое» место с отсутствующим электроном связи называются дыркой. Легко видеть, что возникновение дырок в кристалле полупроводника создает дополнительную возможность для переноса заряда. Действительно, при наличии дырки какой-либо из электронов связи может перейти на место дырки. В результате на этом месте будет восстановлена нормальная связь, но зато появится дырка в другом месте. В эту новую дырку в свою очередь сможет перейти какой-либо из других электронов связи и т.д. такой процесс будет происходить многократно, в результате чего в образовании тока будут принимать участие не только электроны проводимости, но и электроны связи, которые будут постепенно перемещаться, так же как и электроны проводимости, против электрического поля. Сами же дырки будут двигаться противоположно, в направлении электрического поля, т.е. так, как двигались бы положительно заряженные частицы.

Рассмотренный процесс получил название дырочной проводимости.

Таким образом, в полупроводниках наблюдаются два механизма проводимости: электронный и дырочный. Если концентрации электронов проводимости и дырок обозначить соответственно и , то .

Рассмотренный процесс проводимости в совершенно чистых полупроводниках, лишенных вовсе химических примесей и других дефектов решетки, получил название собственной проводимости.

При наличии примесей электропроводность полупроводников сильно изменяется. Такое влияние прмесей вполне объясняется изложенными выше представлениями о строении полупроводников. Вернемся опять к конкретному примеру кремния и предположим, что нем имеются атомы химической примеси, замещающие некоторые атомы кремния. В качестве примеси рассмотрим сначала какой-либо элемент пятой группы, например мышьяк. Атом мышьяка как элемент пятой группы имеет пять валентных электронов. Но для осуществления парноэлектронных связей в решетке кремния необходимы всего четыре электрона. Поэтому пятый электрон атома мышьяка оказывается связанным особенно слабо и может быть легко отщеплен при тепловых колебаниях решетки. При этом возникает один электрон проводимости, а атом мышьяка превращается в положительно заряженный ион. Образование же дырки не происходит. Подобный процесс схематически изображен на рис. 28.3.

Рассмотрим теперь, как себя будет вести атом примеси какого-либо элемента, стоящего левее в периодической системе, нежели кремний; пусть это будет бор, стоящий в третьей группе. Атом бора имеет всего три валентных электрона, в то время как для нормальной валентной связи в решетке кремния необходимы четыре электрона.

рис 28.3

Недостающий четвертый электрон будет захвачен из соседних мест кристалла, в соответствующем месте образуется дырка, а атом бора превратится в отрицательный ион (рис. 28.4). Таким образом, и при наличии бора в кристалле кремния окажется возможным возникновение тока, но, в отличие от случая мышьяка, электрический ток здесь будет обусловлен движением дырок, а не электронов.

рис 28.4

Следовательно, электропроводность полупроводников может быть обусловлена также примесями – примесная проводимость. Примеси вызывающие появление электронов проводимости получили название донорных примесей, а примеси вызывающие появление дырок названы акцепторными.

Поскольку полупроводники, имеющие донорные примеси, обладают большим числом электронов (по сравнению с числом дырок), их называют полупроводниками n-типа (от слова negativ – отрицательный). В полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными.

Проводники с преобладанием дырочной проводимости над электронной называют полупроводниками р-типа (от слова positiv – положительный). Основными носителями заряда в полупроводнике р-типа являются дырки, а неосновными – электроны.