Электронно-дырочный переход и его свойства

Подавляющее большинство современных полупроводниковых приборов функционируют благодаря тем явлениям, которые происходят на самих границах материалов, имеющих различные типы электропроводности.

Полупроводники бывают двух типов – n и p. Отличительной особенностью полупроводниковых материалов n-типа является то, в них в качестве носителей электрического заряда выступают отрицательно заряженные электроны. В полупроводниковых материалах p-типа эту же роль играют так называемые дырки, которые заряжены положительно. Они появляются после того, как от атома отрывается электрон, и именно поэтому и образуются положительный заряд.

Для изготовления полупроводниковых материалов n-типа и p-типа используются монокристаллы кремния. Их отличительной особенностью является чрезвычайно высокая степень химической чистоты. Существенно изменить электрофизические свойства этого материала можно, внося в него совсем незначительные, на первый взгляд, примеси.

Символ «n», используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «negative» («отрицательный»). Главными носителями заряда в полупроводниковых материалах n-типа являются электроны. Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые донорные примеси: мышьяк, сурьму, фосфор.

Символ «p», используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «positive» («положительный»). Главными носителями заряда в них являются дырки. Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые акцепторные примеси: бор, алюминий.

Число свободных электронов и число дырок в чистом кристалле полупроводника совершенно одинаково. Поэтому когда полупроводниковый прибор находится в равновесном состоянии, то электрически нейтральной является каждая из его областей.

Возьмем за исходное то, что n-область тесно соединена с p-областью. В таких случаях между ними образуется переходная зона, то есть некое пространство, которое обеднено зарядами. Его ёщё называют «запирающим слоем», где

дырки и электроны, подвергаются рекомбинации. Таким образом, в месте соединения двух полупроводников, которые имеют различные типы проводимости, образуется зона, называемая p-n переходом.

В месте контакта полупроводников различных типов дырки из области p-типа частично следуют в область n-типа, а электроны, соответственно, – в обратном направлении. Поэтому полупроводник p-типа заряжается отрицательно, а n-типа – положительно. Эта диффузия, однако, длится только до тех пор, пока возникающее в зоне перехода электрическое поле не начинает ей препятствовать, в результате чего перемещение и э

лектронов, и дырок прекращается.

В выпускаемых промышленностью полупроводниковых приборах для использования p-n перехода к нему необходимо приложить внешнее напряжение. В зависимости от того, какими будет его полярность и величина, зависит поведение перехода и проходящий непосредственно через него электрической ток. Если к p-области подключается положительный полюс источника тока, а к n-области – полюс отрицательный, то имеет место прямое включение p-n перехода. Если же полярность изменить, то возникнет ситуация, называемая обратным включением

p-n перехода.

Прямое включение

Когда осуществляется прямое включение p-n перехода, то под воздействием внешнего напряжения в нем создается поле. Его направление по отношению к направлению внутреннего диффузионного электрического поля противоположно. В результате этого происходит падение напряженности результирующего поля, а запирающий слой сужается.

 

Вследствие такого процесса в соседнюю область переходит немалое количество основных носителей заряда. Это означает, что из области p в область n результирующий электрический ток будет протекать дырками, а в обратном направлении – электронами.

Обратное включение

Когда осуществляется обратное включение p-n перехода, то в образовавшейся цепи сила тока оказывается существенно ниже, чем при прямом включении. Дело в том, что дырки из области n будут следовать в область p, а электроны – из области p в область n. Невысокая сила тока обуславливается тем обстоятельством, что в области p мало электронов, а в области n, соответственно, – дырок.

 

Таким образом, при обратном включении полупроводникового прибора в цепь, переход через контакт двух областей осуществляется с помощью неосновных носителей заряда, количество которых совсем невелико. Поэтому электрическое сопротивление оказывается достаточно большим, а проводимость – незначительной. Это означает, что возникает запирающий слой.

Факультативный курс физики. 9 кл.

Факультативный курс физики. 9 кл.

Кабардин О. Ф. и др. Факультативный курс физики. 9 кл. Пособие для учащихся. Изд. 2-е, перераб. М., «Просвещение», 1978. — 207 с. Книга состоит из 5 глав: «Строение и превращения вещества», «Термодинамика», «Электрическое поле и электрический ток», «Магнетизм», «Физический практикум». В них содержится теоретический материал в соответствии с программой факультативного курса физики 9 класса, задачи с примерами их решения и описания лабораторных работ. Оглавление МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА § 2. ЧИСЛО АВОГАДРО § 3. ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ § 4. ДАВЛЕНИЕ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА § 5. ГАЗОВЫЙ ТЕРМОМЕТР § 6. ТЕМПЕРАТУРА КАК МЕРА СРЕДНЕЙ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МОЛЕКУЛ § 7. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА § 8. РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ § 9. СРЕДНЯЯ ДЛИНА СВОБОДНОГО ПРОБЕГА § 10. ДИФФУЗИЯ И БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ § 11. СЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ § 12. ОБЛАКА И ОСАДКИ § 13. ЗАВИСИМОСТЬ АГРЕГАТНОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ § 14. СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ § 15. ПРОЦЕССЫ РОСТА КРИСТАЛЛОВ § 16. ПОЛУЧЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ § 17. ПРИМЕНЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ § 18. КРИСТАЛЛЫ И ЖИЗНЬ Глава 2. ТЕРМОДИНАМИКА § 19. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД § 20. РАБОТА И КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ В ТЕРМОДИНАМИКЕ § 21. ТЕПЛОЕМКОСТЬ ГАЗОВ § 22. ТЕПЛОЕМКОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ЖИДКОСТЕЙ § 23. ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ § 24. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ § 25. РАБОЧИЙ ЦИКЛ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ § 26. КПД ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ § 27. ПАРОВАЯ МАШИНА § 28. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ § 29. ПАРОВАЯ И ГАЗОВАЯ ТУРБИНЫ § 30. РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ § 31. ПРАКТИКУМ ПО РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКА § 32. ЛАБОРАТОРНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА Глава 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК § 34. ПОТЕНЦИАЛ § 35. ДИЭЛЕКТРИКИ И ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ § 36. СВОЙСТВА p-n-ПЕРЕХОДА § 37. ТРАНЗИСТОР Глава 4. МАГНЕТИЗМ § 38. МАГНИТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВИЖУЩИХСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ § 39. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ § 40. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ДВИЖУЩЕГОСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА § 41. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТОКА В ВАКУУМЕ § 42. ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ДВИЖУЩИЕСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ § 43. МАГНИТНАЯ ПОСТОЯННАЯ ВАКУУМА § 44. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ § 45. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ § 46. ПРАКТИКУМ ПО РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ § 47. ЛАБОРАТОРНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ Глава 5. ФИЗИЧЕСНИЙ ПРАКТИКУМ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНОЙ МАССЫ ГАЗА ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ РОСТА КРИСТАЛЛОВ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ СТАЛИ ДО И ПОСЛЕ ЗАКАЛКИ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ХОЛОДИЛЬНИКА ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6. ПОВЕРКА ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7. ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8. РАСЧЕТ И ИСПЫТАНИЕ СХЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ С ФОТОРЕЗИСТОРОМ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА ПО ТОКУ В СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10. ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОТОКА ПОСТОЯННОГО МАГНИТА ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ ОТВЕТЫ К ЗАДАЧАМ

PN Junction Обратное смещение по сравнению с прямым смещением и их функциональные характеристики

Ключевые выводы

• Узнайте о влиянии смещения на диод.

• Получите лучшее понимание разницы между обратным смещением PN-перехода и прямым смещением.

• Узнайте о типах и характеристиках прямого и обратного смещения в диоде с PN-переходом.

 

Диод с PN-переходом при обратном смещении действует как изолятор.

Смещение в области электроники означает направление или способность потока в определенном направлении, в первую очередь, когда речь идет о диоде. Также в области электроники мы определяем смещение или смещение как методологию установления набора токов или напряжений в различных точках электронной схемы для установления точных рабочих условий внутри электронного компонента (компонентов). Смещение также дает разработчику схемы оптимальный контроль над функциональностью диода.

Типы смещения

В типичном диоде прямое смещение возникает, когда напряжение на диоде обеспечивает естественный ток, тогда как обратное смещение означает напряжение на диоде в противоположном направлении.

Однако напряжение, присутствующее на диоде во время обратного смещения, не вызывает значительного протекания тока. Эта уникальная характеристика полезна для преобразования переменного тока (переменного тока) в постоянный ток (DC).

Существует множество других применений этой характеристики, включая управление электронными сигналами. При рассмотрении этой статьи мы сосредоточимся на диоде с PN-переходом и аспектах его смещения. Однако для типичного диода с PN-переходом существуют три условия смещения и две рабочие области, а именно:

• Прямое смещение: здесь потенциальные соединения напряжения следующие: -Ve (отрицательный) к материалу N-типа и +Ve (положительный) к материалу P-типа на диоде. Эффект заключается в уменьшении ширины диода PN-перехода.

• Обратное смещение: В этом состоянии смещения потенциалы напряжения следующие: +Ve (положительный) к материалу N-типа и -Ve (отрицательный) к материалу P-типа на диоде. Результатом этого является увеличение ширины PN-перехода диода.

• Нулевое смещение: в этом состоянии смещения на диод PN-перехода не подается внешний потенциал напряжения.

Обратное смещение PN-перехода

Как вы, возможно, знаете, смещение диода (PN-перехода) в электрической цепи позволяет току течь легче в одном направлении, чем в другом. Прямое смещение указывает на приложение напряжения к диоду, которое позволяет току легко течь, в то время как обратное смещение означает приложение напряжения к диоду в противоположном направлении.

Другими словами, когда мы подаем напряжение на диод таким образом, что N-тип (половина) диода подключается к положительной клемме источника напряжения, а P-тип (половина) подключается к отрицательной терминал, электроны из внешней цепи будут производить больше отрицательных ионов.

Эти отрицательные ионы находятся в области P-типа и заполняют дырки, тем самым создавая больше положительных ионов в области N-типа. Это смещает электроны к положительному выводу источника напряжения. В результате будет увеличиваться как напряжение между областями P-типа и N-типа, так и областью обеднения. Кроме того, общий заряд по обе стороны от перехода будет увеличиваться по величине до тех пор, пока напряжение на диоде не сравняется и не станет противодействовать приложенному напряжению. Конечно, они компенсируют друг друга, тем самым прекращая протекание тока внутри цепи.

Характеристики диода PN-перехода

Ниже приведены основные характеристики области перехода PN (диода-переходника):

• Полупроводник состоит из двух типов подвижных носителей заряда: электронов и дырок.

• Легирование может происходить в полупроводнике с использованием донорных примесей, таких как сурьма, и это называется легированием N-типа. Кроме того, этот процесс легирования содержит мобильные заряды, которые в основном представляют собой электроны.

• Электроны имеют отрицательный заряд, а дырки — положительный.

• Легирование также может происходить в полупроводнике с использованием акцепторных примесей, таких как бор, и это называется легированием P-типа. Кроме того, этот процесс легирования содержит подвижные заряды, которые в основном являются дырками.

• Область соединения не имеет носителей заряда, и эту область также называют областью обеднения.

• Физическая толщина области истощения (перехода) зависит от приложения напряжения.

Прямое смещение и обратное смещение

Вот список, который поможет еще больше подчеркнуть различия между этими двумя параметрами:

• Прямое смещение уменьшает потенциальный барьер, что позволяет току без усилий проходить через соединение. Напротив, обратное смещение усиливает потенциальный барьер и препятствует потоку носителей заряда.

• При прямом смещении подключаем положительный (+) вывод источника напряжения к аноду, а отрицательный (-) вывод к катоду. Напротив, при обратном смещении мы подключаем положительную (+) клемму источника напряжения к катоду, а отрицательную (-) клемму к аноду.

• Обратное смещение усиливает потенциальный барьер, тогда как прямое смещение уменьшает потенциальный барьер электрического поля поперек потенциала.

•  Обратное смещение имеет анодное напряжение, которое меньше его катодного напряжения. Напротив, прямое смещение имеет анодное напряжение, которое больше, чем катодное напряжение.

• Обратное смещение имеет незначительный прямой ток, в то время как прямое смещение имеет значительный прямой ток.

• Обедненный слой диода намного толще при обратном смещении и существенно тоньше при прямом смещении.

• Обратное смещение увеличивает сопротивление диода, а прямое смещение уменьшает сопротивление диода.

• Обратное смещение не позволяет току течь, тогда как при прямом смещении он течет без усилий через диод.

• Ток пренебрежимо мал или минимален при обратном смещении; однако при прямом смещении уровни тока зависят от прямого напряжения.

• При обратном смещении устройство работает как изолятор и как проводник при прямом смещении.

В области электроники диод является одним из наиболее универсальных компонентов. Его способность функционировать как два отдельных, но одинаково эффективных компонента делает его чрезвычайно адаптивным. Кроме того, влияние смещения на функциональность диода обеспечивает оптимальный контроль над тем, какую функцию диод будет играть в вашей схеме. Этот тип универсальности дает разработчику беспрецедентный контроль над общим функциональным дизайном схемы.

Электрическая схема радиоустройства с использованием резистора, транзистора, диода с PN-переходом, конденсатора и катушки индуктивности.

Независимо от того, какой тип смещения PN-перехода вы решите использовать в своей схеме, наличие высококачественного пакета программного обеспечения для проектирования и анализа печатных плат — лучший способ обеспечить успешное внедрение в ваши проекты. Allegro от Cadence — один из таких программных пакетов, и при его использовании вы можете быть уверены, что ваши проекты не только будут успешными, но и будут выполнены правильно с первого раза.

Если вы хотите узнать больше о том, какое решение может предложить Cadence, обратитесь к нам и нашей команде экспертов. Чтобы посмотреть видео по связанным темам или узнать, что нового в нашем наборе инструментов для проектирования и анализа, подпишитесь на наш канал YouTube.

 

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.

Подпишитесь на LinkedIn Посетите вебсайт Больше контента от Cadence PCB Solutions

УЧИТЬ БОЛЬШЕ

Полупроводник | Определение, примеры, типы, использование, материалы, устройства и факты

проводимости

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Дункан Холдейн Уолтер Х. Браттейн Ив-Андре Рокар

Похожие темы:

кремний германий лавинный эффект Эффект Ганна p-n переход

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

полупроводник , любой класс кристаллических твердых тел, промежуточный по электропроводности между проводником и изолятором. Полупроводники используются в производстве различных электронных устройств, в том числе диодов, транзисторов и интегральных схем. Такие устройства нашли широкое применение благодаря своей компактности, надежности, энергоэффективности и дешевизне. В качестве дискретных компонентов они нашли применение в силовых устройствах, оптических датчиках и излучателях света, включая твердотельные лазеры. Они обладают широким диапазоном возможностей управления током и напряжением и, что более важно, поддаются интеграции в сложные, но легко изготавливаемые микроэлектронные схемы. Они являются и будут в обозримом будущем ключевыми элементами для большинства электронных систем, обслуживающих приложения связи, обработки сигналов, вычислений и управления как на потребительском, так и на промышленном рынках.

Полупроводниковые материалы

Твердотельные материалы обычно подразделяются на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) На рисунке показаны проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1/σ), связанные с некоторыми важными материалами в каждом из трех классов. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую проводимость, порядка 10 9от 0185 −18 до 10 ⁻¹⁰ сименс на сантиметр; и проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость, обычно от 10 ⁴ до 10 ⁶ сименс на сантиметр. Электропроводность полупроводников находится между этими крайними значениями и обычно чувствительна к температуре, освещению, магнитным полям и незначительному количеству примесных атомов. Например, добавление около 10 атомов бора (известного как легирующая примесь) на миллион атомов кремния может увеличить его электропроводность в тысячу раз (частично объясняя широкий разброс, показанный на предыдущем рисунке).

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. Элементарные полупроводники состоят из атомов одного вида, таких как кремний (Si), германий (Ge) и олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI периодической таблицы. Однако существует множество составных полупроводников, состоящих из двух или более элементов. Арсенид галлия (GaAs), например, представляет собой бинарное соединение III-V, представляющее собой комбинацию галлия (Ga) из столбца III и мышьяка (As) из столбца V. Тройные соединения могут быть образованы элементами из трех разных столбцов: например, теллурид ртути и индия (HgIn ₂ Te ₄ ), соединение II-III-VI. Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, такими как арсенид алюминия-галлия (Al _x Ga _{1 − x} As), который представляет собой тройное соединение III-V, где и Al, и Ga происходят из столбец III и нижний индекс x относятся к составу двух элементов от 100% Al ( x = 1) до 100% Ga ( x = 0). Чистый кремний является наиболее важным материалом для приложений интегральных схем, а бинарные и тройные соединения III-V наиболее важны для излучения света.

До изобретения биполярного транзистора в 1947 году полупроводники использовались только в качестве двухвыводных устройств, таких как выпрямители и фотодиоды. В начале 1950-х германий был основным полупроводниковым материалом. Однако он оказался непригодным для многих применений, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, демонстрировали высокие токи утечки лишь при умеренно повышенных температурах. С начала 1960-х годов кремний стал наиболее широко используемым полупроводником, практически вытеснив германий в качестве материала для изготовления устройств. Этому есть две основные причины: (1) кремниевые устройства имеют гораздо меньшие токи утечки и (2) диоксид кремния (SiO ₂ ), представляющий собой высококачественный изолятор, легко встраивается в состав устройства на основе кремния. Таким образом, кремниевая технология стала очень продвинутой и широко распространенной: кремниевые устройства составляют более 95 процентов всех полупроводниковых продуктов, продаваемых во всем мире.

Многие составные полупроводники обладают некоторыми специфическими электрическими и оптическими свойствами, которые превосходят их аналоги из кремния. Эти полупроводники, особенно арсенид галлия, используются в основном для оптоэлектроники и некоторых радиочастотных (РЧ) приложений.

Электронные свойства

Описанные здесь полупроводниковые материалы представляют собой монокристаллы; т. е. атомы расположены трехмерным периодическим образом. Часть A рисунка показывает упрощенное двумерное представление собственного (чистого) кристалла кремния, который содержит незначительные примеси. Каждый атом кремния в кристалле окружен четырьмя ближайшими соседями. Каждый атом имеет четыре электрона на своей внешней орбите и делит эти электроны со своими четырьмя соседями. Каждая общая электронная пара образует ковалентную связь. Сила притяжения между электронами и обоими ядрами удерживает два атома вместе. Для изолированных атомов (например, в газе, а не в кристалле) электроны могут иметь только дискретные энергетические уровни. Однако, когда большое количество атомов объединяется в кристалл, взаимодействие между атомами приводит к тому, что дискретные энергетические уровни распределяются по энергетическим зонам. При отсутствии тепловых колебаний (т. е. при низкой температуре) электроны в изоляторе или полупроводниковом кристалле полностью заполняют ряд энергетических зон, оставляя остальные энергетические зоны пустыми. Самая высокая заполненная зона называется валентной зоной. Следующей зоной является зона проводимости, которая отделена от валентной зоны энергетической щелью (в кристаллических диэлектриках щель гораздо больше, чем в полупроводниках). Эта энергетическая щель, также называемая запрещенной зоной, представляет собой область, обозначающую энергии, которыми не могут обладать электроны в кристалле. Большинство важных полупроводников имеют ширину запрещенной зоны в диапазоне от 0,25 до 2,5 электрон-вольт (эВ). Ширина запрещенной зоны кремния, например, составляет 1,12 эВ, а арсенида галлия — 1,42 эВ. Напротив, ширина запрещенной зоны алмаза, хорошего кристаллического изолятора, составляет 5,5 эВ.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

При низких температурах электроны в полупроводнике связаны в соответствующих зонах в кристалле; следовательно, они недоступны для электропроводности. При более высоких температурах тепловая вибрация может разорвать некоторые ковалентные связи с образованием свободных электронов, которые могут участвовать в проводимости тока. Когда электрон удаляется от ковалентной связи, с этой связью связана электронная вакансия. Эта вакансия может быть заполнена соседним электроном, что приводит к смещению положения вакансии с одной позиции кристалла на другую. Эту вакансию можно рассматривать как фиктивную частицу, называемую «дыркой», которая несет положительный заряд и движется в направлении, противоположном направлению движения электрона. Когда к полупроводнику прикладывается электрическое поле, как свободные электроны (теперь находящиеся в зоне проводимости), так и дырки (оставленные в валентной зоне) движутся через кристалл, создавая электрический ток. Электропроводность материала зависит от количества свободных электронов и дырок (носителей заряда) в единице объема и от скорости движения этих носителей под действием электрического поля. В собственном полупроводнике существует равное количество свободных электронов и дырок. Однако электроны и дырки обладают разной подвижностью; то есть они движутся с разными скоростями в электрическом поле. Например, для собственного кремния при комнатной температуре подвижность электронов составляет 1500 квадратных сантиметров в вольт-секунду (см ² /В·с), т. е. электрон будет двигаться со скоростью 1500 сантиметров в секунду под действием электрического поля в один вольт на сантиметр, а подвижность дырки 500 см ² /В·с. Подвижности электронов и дырок в конкретном полупроводнике обычно уменьшаются с повышением температуры.

Электрическая проводимость собственных полупроводников при комнатной температуре очень плохая. Чтобы добиться более высокой проводимости, можно намеренно ввести примеси (обычно до концентрации одна часть на миллион атомов-хозяев). Это называется легированием — процессом, который увеличивает проводимость, несмотря на некоторую потерю подвижности.