В чистом полупроводнике (например, в чистом кремнии или германии) подвижные носители зарядов могут быть только электроны, и это зависит от того, как устроена его энергетическая структура.
Энергетическая структура чистого полупроводника
Полупроводники имеют запрещённую зону (или зону запрещённых энергетических уровней), которая разделяет две основные области:
Зона валентности — это энергетическая зона, в которой находятся электроны, связанные с атомами полупроводника. Эти электроны не могут свободно двигаться и участвовать в проводимости.
Зона проводимости — это зона, где электроны могут свободно перемещаться и, следовательно, участвовать в проводимости тока.
Между этими двумя зонами находится запрещённая зона, то есть область, где энергии электронов не могут располагаться. Для того чтобы электрон мог участвовать в проводимости, ему нужно получить энергию, достаточную для того, чтобы перескочить через запрещённую зону в зону проводимости.
Подвижные носители зарядов в чистом полупроводнике
В чистом полупроводнике, называемом интринсик (или непримесным полупроводником), носителями зарядов являются электроны в зоне проводимости и дырки, которые образуются в зоне валентности.
Электроны:
При нормальных условиях (без внешнего возбуждения) большинство электронов в чистом полупроводнике находятся в зоне валентности.
Чтобы электроны стали подвижными и могли участвовать в проводимости, они должны получить достаточную энергию, например, от тепла (в виде тепловой энергии) или света. Таким образом, при температуре выше абсолютного нуля (например, при комнатной температуре) небольшое количество электронов переходит через запрещённую зону в зону проводимости, где они становятся подвижными носителями заряда.
Дырки:
Когда электрон покидает свою позицию в валентной зоне, образуется дыра — это фактически «положительный» носитель заряда.
Дырка представляет собой вакансию на месте электрона в валентной зоне, и её поведение аналогично поведению положительного заряда. Дырки могут перемещаться в валентной зоне, как электроны — в зоне проводимости.
На самом деле, движение дырок происходит в противоположном направлении относительно движения электронов. Если электрон в валентной зоне сдвигается к соседнему атому, дырка как бы «двигается» в противоположную сторону.
Таким образом, в чистом полупроводнике имеются два типа подвижных носителей зарядов:
Электроны в зоне проводимости (негативные носители заряда).
Дырки в зоне валентности (положительные носители заряда).
Концентрация носителей зарядов
Для чистого полупроводника характерна следующая зависимость:
Концентрация электронов в зоне проводимости равна концентрации дырок в зоне валентности.
Концентрация этих носителей зависит от температуры и свойств самого полупроводника (ширина запрещённой зоны и её расположение).
Для кремния (ширина запрещённой зоны около 1.1 эВ) и других полупроводников в комнате температуре (около 300 К) число носителей заряда в чистом полупроводнике обычно невелико, и проводимость такого материала низка по сравнению с металлами или даже с полупроводниками с примесями.
Как меняется концентрация носителей
При изменении температуры или при воздействии внешнего излучения (например, фотонного) можно изменять концентрацию подвижных носителей. Это связано с тем, что с увеличением температуры растёт вероятность того, что электроны смогут преодолеть запрещённую зону и попасть в зону проводимости.
В полупроводниках с более узкой запрещённой зоной (например, в арсениде галлия, ширина запрещённой зоны которого составляет около 1.43 эВ) такая генерация носителей происходит легче и при более низких температурах.
Заключение
Итак, в чистом полупроводнике подвижными носителями зарядов являются электроны в зоне проводимости и дырки в зоне валентности. Оба типа носителей играют важную роль в проводимости и других электрических свойствах полупроводников.
