Напівпровідниками називаються матеріли, що займають проміжне положення між провідниками й діелектриками. Особливість металевих провідників полягає у наявності вільних електронів, які е носіями електричних зарядів. У діелектриків вільних електронів немає, тому вони не проводять струм.
На відміну від провідників напівпровідникам характерна не тільки електронна, але й діркова провідність, яка значною мірою залежить від температури, освітленості, стиснення, електричного поля та інших факторів.
Хімічний зв'язок двох сусідніх атомів з утворенням на одній орбіті спільної пари електронів (Мал.1.1, а) називають ковалентним, або парноелектронним і умовно зображають двома лініями, які з'єднують електрони (Мал.1.1, б). Наприклад, германій належить до електронів четвертої групи періодичної системи елементів Д.І.Менделєєва і має на вищій орбіті чотири валентні електрони.
Малюнок 1.1. Кристалічна гратка напівпровідника.
Кожен атом у кристалі германію утворює ковалентні зв'язки з чотирма сусідніми атомами (див. мал.1.1, в). У разі відсутності домішок і за температури, що наближається до абсолютного нуля, всі валентні електрони атомів у кристалі германію взаємно пов'язані й вільних електронів немає, тому германієві провідність не властива.
З підвищенням температури або в процесі опромінення збільшується енергія електронів, що призводить до часткового порушення ковалентних зв'язків і появи вільних електронів. Уже при кімнатній температурі під дією зовнішнього електричного поля вільні електрони переміщуються і в кристалі виникає електричний струм. Електропровідність, обумовлена переміщенням вільних електронів, називається електронною провідністю, або п-провідністю.
З появою вільних електронів у ковалентних зв'язках утворюється вільне, не заповнене електроном (вакантне) місце — електронна дірка. Оскільки дірка виникла в місці відриву електрона від атома, то в ділянці її утворення виникає надлишковий позитивний заряд. За наявності дірки будь-який з електронів сусідніх зв'язків може зайняти місце дірки й нормальний ковалентний зв'язок у цьому місці відновиться, але буде порушений у тому місці, звідки вийшов електрон.
Переміщення дірок схоже на переміщення позитивних зарядів. Під дією зовнішнього електричного поля дірки переміщуються в напрямку йога сил, тобто в напрямку, протилежному переміщенню електронів. Провідність, що виникає внаслідок переміщення дірок, називається дірковою провідністю, або
р-провідністю.
Отже, в разі .електронної провідності один вільний електрон проходить весь шлях у кристалі, а в разі діркової провідності велика кількість електронів почергово заміняють один одного у ковалентних зв'язках і кожен з них проходить свій відтинок шляху.
У кристалі чистого напівпровідника з порушенням ковалентних зв'язків виникає однакова кількість вільних електронів і дірок. Одночасно з цим відбувається зворотний процес — рекомбінація, під час якої вільні електрони заповнюють дірки, утворюючи нормальні ковалентні зв'язки. За певної температури кількість вільних електронів і дірок в одиниці об'єму напівпровідника в середньому залишається сталою. З підвищенням температури кількість вільних електронів і дірок значно зростає і провідність германію так само збільшується, тобто напівпровідникам характерний негативний температурний коефіцієнт опору. Електропровідність напівпровідника за відсутності в ньому домішок називається його власною електропровідністю.
Властивості напівпровідників значною мірою міняються за наявності в ньому мізерної кількості домішок. Вводячи атоми інших елементів, у кристалі напівпровідника можна одержати перевагу вільних електронів порівняно з дірками або, навпаки, перевагу дірок над вільними електронами. Наприклад, у разі заміщення у кристалічній гратці атома германію атомом п'ятивалентної речовини (миш'яку, сурми, фосфору) чотири електрони цієї речовини утворять заповнені зв'язки з сусідніми атомами германію, а п'ятий електрон буде вільним (Мал.1.3, а), тому така домішка збільшить електронну провідність (п-провідність) і називатиметься донорною. У разі заміщення атома германію атомом тривалентної речовини (індію, галію, алюмінію) його електрони вступлять у ковалентний зв'язок із трьома сусідніми атомами германію, а зв'язків із четвертим атомом германію не буде, оскільки в індію немає четвертого електрона (Мал.1.3, б).
|