Тепловая генерация электронно-дырочных пар

В полупроводниковом кристалле без примесей, так называемом собственном полупроводнике, при Т = 0 К валентная зона целиком заполнена электронами, а зона проводимости пуста. Такой кристалл является диэлектриком, так как для участия в электропроводности электрон должен иметь возможность изменять свое энергетическое состояние за счет электрического поля, что в полностью заполненной валентной зоне невозможно.

При повышении температуры возникают тепловые колебания атомов кристаллической решетки полупроводника. В этом случае электрон может получить от решетки энергию ≥ ΔEg и перейти из валентной зоны в зону проводимости. В этой зоне имеется множество близко расположенных свободных уровней энергии, поэтому электроны в зоне проводимости могут изменять свою энергию и совершать направленное движение по действием электрического поля, т.е. участвовать в создании электрического тока. Отсюда их название – электроны проводимости.

При переходе электрона под действием тепловых колебаний кристаллической решетки в зону проводимости в валентной зоне образуется незаполненное состояние, которое называется дыркой. Происходит так называемая тепловая генерация электронно-дырочных пар.

В присутствии внешнего электрического поля ближайший к дырке электрон валентной зоны попадает в нее, оставляя при этом новую дырку, которую заполнит следующий электрон, и т.д. Таким образом, наличие дырки позволяет электронам валентной зоны изменять свое энергетическое состояние. Дырка при этом перемещается в направлении, противоположном движению электрона, и, следовательно, ведет себя как носитель положительного заряда, по абсолютной величине равного заряду электрона. Понятие «дырка» служит для описания поведения электрона валентной зоны. Электроны проводимости и дырки являются свободными носителями заряда в полупроводнике.

Вместе с процессом генерации возникает процесс рекомбинации электронов и дырок. Электрон проводимости, встречая дырку, заполняет пустое место в валентной зоне. Одновременное действие этих процессов приводит к установлению в полупроводнике равновесия, характеризующегося равновесной концентрацией носителей заряда. В собственном полупроводнике равновесные концентрации электронов n_o и дырок p_o равны, т.е.

n_o = p_o = n_i ~ exp(-ΔEg/2kT) (В.1)

где k – постоянная Больцмана. Величина называется собственной концентрацией носителей заряда, а индекс i обозначает собственный полупроводник. Из (В.1) видно, что n_i резко возрастает с увеличением температуры.

Дата добавления: 2015-06-26