Удосконалення методики викладання теми "Електричний струм у напівпровідниках" в загальноосвітній школі, страница 2

Значна залежність концентрації носіїв заряду в напівпровідниках від температури показує, що в цьому випадку електрони провідності виникають піддією теплового руху. В напівпровідниках атомна взаємодія сама по собі ще недостатня для того, щоб електрони відщепилися від атомів і перетворилися в електрони провідності. Для цього навіть найбільш слабко зв'язаним електронам треба надати деякої додаткової енергії- енергії іонізації, яка й запозичується з енергії теплового руху тіла. Чим вища температура, яка дорівнює або перевищуєтим більша частина електронів існуватиме в напівпровіднику у відщепленому стані, тобто у вигляді електронів провідності.

1.2.Власна електропровідність напівпровідників

Для того, щоб дослідити процес утворення провідності електронів провідності в напівпровідниках розглянемо кремній, який є типовим напівпровідником[4, 5, 6].

Атом кремнію має порядковий номер у періодичній системі Менделєєва 2=14. Тому заряд ядра атома кремнію дорівнює +14е і до складу його атома входить 14 електронів. Однак з них тільки чотири слабко зв'язані. Саме ці слабко зв'язані електрони беруть участь у хімічних реакціях і зумовлюють чотири валентності кремнію, внаслідок чого вони і дістали назву валентних електронів. Решта десять електронів разом з ядром утворюють кістяк атома, що має заряд +14е-10е=+4е. Він оточений чотирма валентними електронами, які рухаються навколо кістяка і утворюють хмару негативного заряду (рис.1.2.1).

Решітка кремнію має таке розміщення атомів, що кожний атом оточений чотирма найближчими сусідами. Спрощену плоску схему розміщення його атомів зображено на рис. 1.2.2. Зв'язок двох сусідніх атомів зумовлений парою електронів, що утворюють так званий парно-електронний, або валентний, зв'язок[ 5, 6].

Картина, зображена на рис. 1.2.2, відповідає чистому кремнію (про вплив домішок буде сказано нижче) і дуже низькій температурі. У цьому випадку всі валентні електрони, які беруть участь в утворенні зв’язків між атомами, є структурними елементами і не беруть участі в електропровідності.

При підвищенні температури кристала теплові коливання решітки призводять до розриву деяких валентних зв'язків. Внаслідок цього частина електронів, яка раніше брала участь в утворенні валентних зв'язків, відщеплюється і стає електронами провідності. При наявності електричного поля вони переміщуються проти поля і утворюють електричний струм[ 6, 7].

Однак, крім процесу перенесення заряду за допомогою електронів провідності, можливий ще й інший механізм електропровідності. Він зумовлений тим, що всякий розрив валентного зв'язку веде до появи вакантного місця з відсутнім зв'язком. Такі «порожні» місця з відсутніми електронами зв'язку дістали назву «дірок» (рис. 1.2.3.)- Легко бачити, що виникнення дірок у кристалі напівпровідника утворює додаткову   

можливість для перенесення заряду. Справді, при наявності дірки будь-який з електронів зв'язку може перейти на місце дірки. Тоді на цьому місці буде відновлений нормальний зв'язок, але зате виникне дірка в іншому місці.

В цю нову дірку в свою чергу зможе перейти будь-який з інших електронів зв'язку і т.д. Такий процес відбуватиметься багато разів, внаслідок чого в утворені струму братимуть участь не тільки електрони провідності, а й електрони зв'язку, які поступово переміщатимуться так само, як і електрони провідності, проти електричного поля. Самі ж дірки рухатимуться протилежно, в напрямі електричного поля, тобто так, як рухались би позитивно заряджені частинки (рис. 1.2.4.).

Розглянутий процес дістав назву дірчастої провідності. Отже, в напівпровідниках можливі два різні процеси електропровідності: електронний, що здійснюється рухом електронів провідності, і дірчастий, зумовлений рухом дірок[6, 7].

Поряд з переходами електронів із зв'язаного стану у вільний існують зворотні переходи, при яких електрон провідності вловлюється на одне з вакантних місць електронів зв'язку. Цей процес називають рекомбінацією електрона і дірки. В стані рівноваги встановлюється така концентрація