§ 57. Полупроводники

Полупроводниками являются кристаллические вещества, у которых при О К валентная зона полностью заполнена электронами (см. рис. 53.5, б), а ширина запрещенной зоны невелика (см. стр. 189). Полупроводники обязаны своим названием тому обстоятельству, что по величине электропроводности они занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Однако характерным для них является не величина проводимости, а то, что их проводимость растет с повышением температуры (напомним, что у металлов она уменьшается).

Различают собственные и примесные полупроводники. JK числу собственных относятся химически чистые полу» проводники. Электрические свойства примесных полупроводников определяются имеющимися в них искусственно вводимыми примесями.

При рассмотрении электрических свойств полупроводников большую роль играет понятие «дырок». Остановимся на выяснении физического смысла этого понятия.

B собственном полупроводнике при абсолютном нуле все уровни валентной зоны полностью заполнены электронами, а в зоне проводимости электроны отсутствуют (рис. 57.1, а).

Рис. 57.1.

Электрическое поле не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому собственные полупроводники ведут себя при абсолютном нуле как диэлектрики При температурах, отличных от 0 К, часть электронов с верхних уровней валентной зоны переходит в результате теплового возбуждения на нижние уровни зоны проводимости (рис. 57.1,6), В этих условиях электрическое поле получает возможность изменять состояние электронов, находящихся в зоне проводимости. Кроме того, вследствие образования вакантных уровней в валентной зоне электроны этой зоны также могут изменять свою скорость под воздействием внешнего поля.

В результате электропроводность полупроводника становится отличдой от нуля.

Оказывается, что при наличии вакантных уровней поведение электронов валентной зоны может быть представлено как движение положительно заряженных квазичастиц, получивших название «дырок». Из равенства нулю проводимости полностью заполненной валентной зоны вытекает, что сумма скоростей всех электронов такой зоны равна нулю:

Выделим из этой суммы скорость электрона:

Отсюда

Из полученного соотношения вытекает, что, если электрон в валентной зоне отсутствует, то сумма скоростей оставшихся электронов оказывается равной Следовательно, все эти электроны создадут ток, равный Таким образом, возникший ток оказывается эквивалентным току, который создавала бы частица с зарядом имеющая скорость отсутствующего электрона. Эта воображаемая частица и есть дырка.

К понятию дырок можно прийти также следующим путем. Вакантные уровни образуются у потолка валентной зоны. В § 54 было выяснено, что эффективная масса электрона, находящегося у потолка энергетической зоны, является отрицательной. Отсутствие частицы с отрицательным зарядом и отрицательной массой эквивалентно наличию частицы с положительным зарядом и положительной массой т. е. дырки.

Итак, по своим электрическим свойствам валентная зона с небольшим числом вакантных состояний эквивалентна пустой зоне, содержащей небольшое число положительно заряженных квазичастиц, называемых дырками.

Подчеркнем, что движение дырки не есть перемещение какой-то реальной положительно заряженной частицы. Представление о дырках отображает характер движения всей многоэлектронной системы в полупроводнике.