73. Электропроводность полупроводников
Полупроводниками называют твердые вещества с электропроводностью, создаваемой перемещением электронов, имеющие особые электрические свойства и занимающие по своей удельной электропроводности γ промежуточную область между проводниками.
Рис. 74. Энергетические спектры электронов свободного атома
К числу электрических свойств полупроводников относится сильное изменение удельной электропроводности под влиянием внешнего электрического поля, нагрева, облучения видимым светом и других факторов.
Благодаря этому свойству полупроводники широко используются для создания таких приборов, как вентили, усилители и др. Полупроводниковые кристаллические приборы, выполняющие функции двухх и трехэлектродных ламп, обладают большими преимуществами перед электронными лампами: они имеют в несколько раз меньшие габариты и меньшие объем и вес; в них отсутствует накаливаемый катод, т. е. не расходуется мощность на накал, а рабочий режим устанавливается мгновенно; они позволяют получить больший КПД; они имеют большую механическую прочность и в 10–50 раз больший срок службы. К полупроводникам относятся селен, германий, кремний, теллур, а также ряд окислов, сульфидов и карбидов. Электроны свободного атома, находящегося в нормальном состоянии, имеют определенные уровни энергии 1 (рис. 74). Чем больше удалена от ядра оболочка, в которой находится движущийся вокруг ядра электрон, тем выше уровень энергии последнего.
В рассматриваемом изолированном атоме одинаковые уровни энергии могут иметь только два электрона или на каждом из энергетических уровней может находиться не более двух электронов. Электрон переходит с одного энергетического уровня на другой, если сообщить ему дополнительную энергию, равную некоторому целому числу квантов. Уровни энергии электронов возбужденного атома занимают верхнюю часть спектра 2.
Для твердого тела различают заполненную зону и зону уровней возбуждения, или свободную зону, разделенные энергетическим барьером. В пределах этого барьера находятся уровни энергии, на которых не могут находиться электроны.
Заполненная зона характеризуется тем, что все уровни ее заполнены электронами при температуре 0°К.
Зона уровней возбуждения содержит уровни со значительно более высокими энергиями. Электроны, обладающие такими энергиями, могут передвигаться от одного атома кристалла к другому и тем самым обеспечивают прохождение тока проводимости.
У металлов заполненная и свободная зоны непосредственно примыкают друг к другу, а в некоторых случаях эти зоны взаимно перекрываются. Поэтому электрон может перейти из первой зоны во вторую, получив извне очень небольшую добавочную энергию.
В идеальном полупроводнике без примесей при вырывании электронов из межатомных связей под действием подведенной извне энергии образуется столько же дырок, сколько свободных электронов.
При отсутствии электрического поля, созданного внешнии ми источниками электрической энергии, освободившиеся электроны движутся беспорядочно, пока не произойдет рекомбинация, т. е. заполнение электроном дырки. При наличии в полупроводнике примесей в нем преобладают дырки (при акцепторных примесях) или свободные электроны (при донорных примесях).
Наличие беспорядочного теплового движения электронов и дырок определяет возможность их диффузии из мест с большей концентрацией зарядов в места с меньшей концентрацией.