Електрически ток в полупроводници

Полупроводниците заемат междинно положение в проводимостта между проводниците и диелектриците.

Електрически свойства на веществата

Полупроводниците се отличават от металите по няколко начина:

съпротивлението на полупроводниците при нормални условия е много по-високо от това на металите;
съпротивлението на чистите полупроводници намалява с повишаване на температурата (за металите се увеличава);
при осветяване на полупроводници тяхното съпротивление е значително намалено (светлината почти няма ефект върху устойчивостта на металите);
незначително количество примеси има силен ефект върху устойчивостта на полупроводниците.

Полупроводниците включват 12 химични елемента

Видове проводимост

Полупроводникова кристална структура

Германийът е четиривалентен елемент, във външната обвивка на атома има четири електрона, които са по-слабо свързани с ядрото от останалите. Броят на най-близките съседи на всеки германиев атом също е равен на 4. Четири валентни електрона на всеки германиев атом са свързани към едни и същи електрони на съседните атоми чрез химически двойки-електронни (ковалентни) връзки. При образуването на тази връзка от всеки атом участва един валентен електрон, който се отделя от атомите (колективизиран от кристала) и прекарва по-голямата част от времето си в пространството между съседните атоми по време на тяхното движение. Техният отрицателен заряд поддържа позитивните германиеви йони близо един до друг. Този вид връзка може да бъде изобразен условно чрез две линии, свързващи ядрата.

Електрическата проводимост на химически чист полупроводник е възможна, когато ковалентните връзки в кристалите се разрушат и се появят свободни електрони.

Допълнителната енергия, която трябва да бъде изразходвана за прекъсване на ковалентната връзка и освобождаване на електрона, се нарича активираща енергия.

Електроните могат да получат тази енергия, когато кристалът се нагрява, когато се облъчва с високочестотни електромагнитни вълни и т.н.

Веднага след като електронът, придобил необходимата енергия, напусне локализираната връзка, върху него се образува вакантно място. Тази свободна позиция може лесно да бъде запълнена от електрон от съседна връзка, върху която също е оформена свободна позиция. По този начин, поради движението на свързващите електрони, свободните работни места се движат из целия кристал. Тази свободна позиция се държи по същия начин като свободния електрон - тя се движи свободно над обема на полупроводника. Освен това, като се има предвид, че както полупроводникът като цяло, така и всеки от неговите атоми с ненарушени ковалентни връзки са електрически неутрални, можем да кажем, че бягството на електрон от връзката и образуването на вакантно място всъщност е еквивалентно на появата на излишен положителен заряд на тази връзка. Следователно получената свободна позиция може официално да се разглежда като носител на положителен заряд, който се нарича дупка.

Така бягството на електрон от локализирана връзка поражда двойка свободни носители на заряд - електрон и дупка. Концентрацията им в чист полупроводник е еднаква. При стайна температура концентрацията на свободни носители в чисти полупроводници е ниска, приблизително 10 9 ÷ 10 10 пъти по-малка от концентрацията на атоми, но в същото време бързо се увеличава с повишаване на температурата.

Сравнете с металите: там концентрацията на свободни електрони е приблизително равна на концентрацията на атомите.