Електрически ток в полупроводници
1.13. Електрически ток в полупроводници
По отношение на специфичното електрическо съпротивление полупроводниците заемат междинно положение между добрите проводници и диелектриците. Полупроводниците включват много химически елементи (германий, силиций, селен, телур, арсен и др.), Огромен брой сплави и химични съединения. Почти всички неорганични вещества в света около нас са полупроводници. Най-разпространеният полупроводник в природата е силиций, който съставлява около 30% от земната кора.
Качествената разлика между полупроводниците и металите се проявява главно в зависимостта на съпротивлението от температурата. С намаляването на температурата съпротивлението на металите намалява (виж фиг. 1.12.4). В полупроводниците, напротив, с намаляване на температурата съпротивлението се увеличава и близо до абсолютната нула те на практика се превръщат в изолатори (фиг. 1.13.1).
Това поведение на зависимостта ρ (T) показва, че концентрацията на свободните носители на заряд в полупроводниците не остава постоянна, а се увеличава с увеличаване на температурата. Механизмът на електрическия ток в полупроводниците не може да бъде обяснен в рамките на модела на свободния електронен газ. Нека разгледаме този механизъм качествено, като използваме примера на германий (Ge). В силициев (Si) кристал механизмът е подобен.
Атомите на германия във външната обвивка имат четири слабо свързани електрона. Те се наричат валентни електрони. В кристалната решетка всеки атом е заобиколен от четири най-близки съседи. Връзката между атомите в германиев кристал е ковалентна, тоест се осъществява от двойки валентни електрони. Всеки валентен електрон принадлежи на два атома (фиг. 1.13.2). Валентните електрони в германиев кристал са свързани с атомите много по-силно, отколкото в металите; следователно концентрацията на проводими електрони при стайна температура в полупроводниците е с много порядъци по-ниска от тази на металите. Близо до абсолютната нулева температура в германиев кристал, всички електрони са заети в образуването на връзки. Такъв кристал не провежда електрически ток.
С повишаване на температурата някои от валентните електрони могат да получат енергия, достатъчна за разкъсване на ковалентни връзки. Тогава в кристала ще се появят свободни електрони (проводими електрони). В същото време на местата на разкъсване на връзките се образуват свободни места, които не са заети от електрони. Тези свободни работни места се наричат дупки. Пусто място може да бъде заето от валентен електрон от съседна двойка, след което дупката ще се премести на ново място в кристала. При дадена температура на полупроводника се образуват определен брой двойки електрон-дупка за единица време. В същото време протича обратният процес - когато свободен електрон се срещне с дупка, електронната връзка между атомите на германий се възстановява. Този процес се нарича рекомбинация. Двойки електрон-дупка могат да се получат и при осветяване на полупроводник, използващ енергията на електромагнитното излъчване. При отсъствие на електрическо поле електроните и дупките на проводимостта участват в хаотично топлинно движение.