§ 71. Природа тока в полупроводниках

Рассмотрим подробнее вопрос о свободных носителях зарядов в полупроводниках. Возьмем два различных полупроводника (первый состоит из сплава висмута, теллура и селена, второй - из висмута, теллура и сурьмы) и соединим их с гальванометрами (рис. 100). Нагреем один конец первого полупроводника, а затем второго, оставляя другие концы ненагретыми. Чтобы был больше перепад температуры (t⁰_r - t_x) между верхним, нагреваемым, концом полупроводника и нижним, ненагреваемым, к последнему припаян радиатор - медная пластинка А.

Рис. 100. Электронная и дырочная проводимость полупроводников

Замечаем, что в цепи гальванометра идет ток, его источником стал полупроводник (термоэлемент). По направлению отклонения стрелок видим, что у одного полупроводника (рис. 100, а) нагретый конец имеет положительный потенциал, а у другого - отрицательный (рис. 100, б). Это происходит потому, что в нагреваемом конце увеличивается число свободных электронов и их скорость, а в холодном конце концентрация электронов мало изменяется. Из нагретого конца в холодный переходит большее число электронов, чем из холодного в нагретый. В результате нагретый конец заряжается положительно, а холодный - отрицательно. Это еще раз подтверждает, что свободными носителями заряда в полупроводниках являются электроны.

Но как объяснить случай, когда горячий конец полупроводника заряжается отрицательно и все происходит так, как если бы носителями заряда в полупроводнике вместо электронов стали положительно заряженные частицы, переходящие с горячего конца в холодный? Расчеты показали, что заряд таких частиц по абсолютному значению равен заряду электрона. Выясним, что это за частицы

При нагревании полупроводника кинетическая энергия валентных электронов увеличивается, они отрываются от атомов и становятся свободными электронами проводимости. Места в атоме полупроводника, в которых отсутствуют валентные электроны, называются дырками. Название подчеркивает, что в атоме не хватает одного электрона. Перескочив от какого-либо соседнего атома, электрон может занять дырку и восстановить ковалентную связь. Если это произойдет, то дырка возникнет в другом месте и снова может быть занята электроном соседнего атома. Так дырки образуются в нагретой области полупроводника. Понятие "дырка" введено для упрощения описания скачкообразного перемещения электронов из заполненной парноэлектронной связи атомов в незаполненную. Дырки и электроны проводимости находятся в тепловом движении. Процесс образования электронов проводимости и дырок протекает параллельно с процессом их рекомбинаций.

Итак, в полупроводниках есть и положительные носители заряда - ими являются дырки.

При нагревании (см рис. 97,а) или освещении (см. рис.99, а) полупроводника в нем образуются свободные электроны проводимости и дырки. Если подключить такой полупроводник к источнику тока, то этот источник образует в полупроводнике стационарное электрическое поле, под действием которого электроны проводимости приходят в направленное движение от отрицательного полюса источника к положительному. Проводимость полупроводника с помощью электронов называется электронной проводимостью, а ток, образованный этими электронами,- током электронной проводимости.

Образование тока проводимости по зонной теории происходит так (см. рис. 96). Вследствие малого значения энергии запрещенной зоны (например, для германия 0,75 эв) сообщение извне электронам валентной зоны незначительной энергии направляет их поток в свободную зону и образует тем самым электрический ток. Направленный переход электронов проводимости из валентной зоны в зону проводимости (в бывшую свободную зону) дает ток электронной проводимости в полупроводнике.

Рис 101. Процессы при дырочной проводимости

В полупроводнике, подключенном к источнику тока, под действием электрического поля движение дырок становится упорядоченным вдоль его напряженности. Дырка с как бы присущим ей положительным зарядом перемещается от одного атома к другому, причем в направлении, противоположном перемещению электронов, занимающих дырки (рис. 101). Проводимость полупроводника, обусловленная движением дырок, называется дырочной проводимостью. (Ее наличие было доказано эффектом Холла на полупроводниках.)

Переход электронов из валентной зоны в зону проводимости создает дырки в валентной зоне. Под действием сообщенной энергии электроны соседних энергетических уровней занимают дырки. Получается как бы направленное движение дырок в сторону, противоположную движению валентных электронов. Ток, образованный направленным движением валентных электронов,- это ток дырочной проводимости.

Рассмотрев электронную и дырочную проводимость, мы увидели, что различие между ними является условным. В действительности и та и другая проводимость образуются вследствие движения электронов, однако различного характера: при электронной проводимости - это непрерывное движение свободных электронов, при дырочной проводимости - это цепочка перескоков электронов между соседними атомами. Итак, электрический ток в полупроводниках создается движением электронов под действием внешнего электрического поля. Дырки, подойдя к отрицательному полюсу источника тока, заполняются электронами, поступающими в полупроводник из этого отрицательного полюса. Электроны, подошедшие к положительному полюсу, нейтрализуют на нем часть положительного заряда.