Понятие о дырках

Химически чистые полупроводники называются собственными полупроводниками. К ним относится ряд чистых химических элементов (германий, кремний) и многие химические соединения, такие например, как арсенид галлия, арсенид индия и т.д. Рисунок 3

Рассмотрим схему зонной структуры собственного полупроводника (рисунок 3а). При абсолютном нуле его валентная зона заполнена полностью, а зона проводимости является пустой. Поэтому при абсолютном нуле собственный полупроводник, как и диэлектрик, обладает нулевой проводимостью. С повышением температуры вследствие термического возбуждения электронов валентной зоны часть из них приобретает энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода в зону проводимости (рисунок 3б). Это приводит к появлению в зоне проводимости свободных электронов, а в валентной зоне – свободных уровней, на которые могут переходить электроны этой зоны. При приложении к такому кристаллу внешнего поля в нем возникает направленное движение электронов зоны проводимости и валентной зоны, приводящее к появлению электрического тока. Кристалл становится проводящим.

Чем уже запрещенная зона и выше температура кристалла, тем больше электронов переходит в зону проводимости, поэтому тем более высокую электропроводность приобретает кристалл. Так у германия, имеющего ширину запретной зоны уже. При комнатной температуре конденсация электронного газа в зоне проводимости достигает величины , а удельное сопротивление составляет всего 0,48 Ом∙м. А у алмаза, имеющего , при комнатной температуре сопротивление равно . Но уже при температуре 600К концентрация электронного газа в кристалле увеличивается на много порядков и удельное сопротивление становится таким же как и у германия при комнатной температуре. Из этого можно сделать вывод, что разделение тел на полупроводники и диэлектрики нашли условный характер. Алмаз, являющийся, диэлектриком при комнатной температуре приобретает замкнутую проводимость при более высокой температуре и может считаться полупроводником. Рассмотрим теперь более подробно поведение электрона в валентной зоне, в которой возникли свободные уровни вследствие перехода частиц электронов в зону проводимости.

Под действием внешнего поля электроны валентной зоны теперь имеют возможность переходить на свободные уровни и создавать в кристалле электрический ток. Сила тока создаваемого одним электроном, движущимся со скоростью υ равна I=-qυ. Результирующая сила мгновенного тока, созданного всеми электронами валентной зоны равна . Для зоны укомплектованной электронами полностью ток равен нулю, так как любому электрону, имеющему скорость + можно составить электрон со скоростью - . Представим, что в валентной зоне заняты все состояния кроме одного, характеризующегося скоростью . Суммарная сила тока в такой зоне равна . Так как первое слагаемое равно нулю, то . Таким образом, суммарная сила тока всех электронов валентной зоны, имеющей одно валентное состояние, эквивалентно силе тока, обусловленного движения в ней одной частицы с положительным зарядом +q, помещенной в это состояние. Такую квазичастицу называют дыркой. Приписывая дырке положительный заряд +q численно равный заряду электрона, ей приписывается и положительная эффективная масса , численно равной отрицательной эффективной массе электрона , ранее занимавшего данное вакантное состояние вблизи потолка валентной зоны. Так как только в этом случае ток, созданный дырками, будет совпадать как по величине, так и по направлению с током, созданным электронами почти целиком занятой валентной зоной.

Эффективная масса заряда может быть значительно меньше массы покоя электрона. Например, для германия , а масса дырок

.

Температурная проводимость характерна для полупроводников, однако есть и некоторые металлы обладающие дырочной проводимостью.

Дата добавления: 2015-05-10