§ 37. Электрычны ток у паўправадніках. Уласная і прымесная праводнасці паўправаднікоў
Прырода электрычнага току ў паўправадніках. Эксперыментальна ўстаноўлена, што пры праходжанні электрычнага току ў паўправадніках, як і ў металах, ніякіх хімічных змяненняў не адбываецца, гэта значыць перанос зараду пры праходжанні току не суправаджаецца пераносам рэчывы. Гэта сведчыць пра тое, што свабоднымі носьбітамі электрычнага зараду ў паўправадніках, як і ў металах, з’яўляюцца электроны.
Разгледзім механізм праводнасці паўправаднікоў на прыкладзе крышталя германію Ge, валентнасць атамаў якога роўная чатыром.
Атамы германію на знешняй абалонцы маюць чатыры валентныя электроны, параўнальна слаба звязаныя з ядром. Пры гэтым кожны атам крышталя звязаны з чатырма суседнімі атамамі кавалентнымі сувязямі. Два суседнія атамы аб’ядноўваюць два свае валентныя электроны (па адным ад кожнага атама), якія ўтвараюць электронную пару. Таму ўсе валентныя электроны атама германію ўдзельнічаюць ва ўтварэнні кавалентных сувязей. На малюнку 217 паказана плоская схема прасторавай рашоткі крышталя германію. Пры тэмпературы, блізкай да абсалютнага нуля, кавалентныя сувязі германію дастаткова трывалыя, таму свабодныя электроны адсутнічаюць і германій з’яўляецца дыэлектрыкам.
Для таго каб разарваць кавалентную сувязь і зрабіць электрон свабодным, крышталю германію неабходна перадаць некаторую энергію, напрыклад награваючы крышталь або апраменьваючы яго паверхню. Пры гэтым частка электронаў атрымлівае энергію, дастатковую для таго, каб пакінуць атамы і стаць свабоднымі.
Нейтральны атам, якому належаў вызвалены электрон, становіцца дадатна зараджаным іонам, а ў кавалентных сувязях утвараецца вакантнае месца з адсутным электронам. Яго называюць дзіркай (мал. 218).
Адначасова з працэсам узнікнення свабодных электронаў і дзірак адбываецца працэс, пры якім адзін з электронаў (не свабодны, а той, што забяспечвае кавалентную сувязь) пераскоквае на месца ўтворанай дзіркі і аднаўляе кавалентную сувязь. Пры гэтым становішча дзіркі мяняецца, што можна мадэляваць як яе перамяшчэнне. Такім чынам, пры адсутнасці знешняга электрычнага поля ў крышталі паўправадніка назіраецца хаатычнае перамяшчэнне свабодных электронаў і дзірак, канцэнтрацыі якіх у чыстым паўправадніку аднолькавыя.
Цікава ведаць
Дзірачная праводнасць абумоўлена «эстафетным» перамяшчэннем па вакансіях ад аднаго атама крышталя паўправадніка да другога электронаў, якія ажыццяўляюць кавалентную сувязь. Дзірак як дадатных зарадаў, якія існуюць рэальна, на самай справе няма. Тым не менш уяўленне пра іх з’яўляецца добрай фізічнай мадэллю, якая дае магчымасць разглядаць электрычны ток у паўправадніках на аснове законаў фізікі.
Дзіркі лічаць рухомымі носьбітамі дадатнага зараду, модуль якога роўны модулю зараду электрона.
Пры наяўнасці знешняга электрычнага поля на хаатычны рух свабодных электронаў і дзірак накладваецца іх упарадкаваны рух, гэта значыць узнікае электрычны ток. Прычым рух свабодных электронаў адбываецца ў напрамку, супрацьлеглым напрамку напружанасці знешняга электрычнага поля, а рух дзірак супадае з напрамкам напружанасці
поля (мал. 219).
Праводнасць, абумоўленую рухам свабодных электронаў і дзірак у чыстым паўправадніку, называюць уласнай праводнасцю паўправадніка.
Пры наданні паўправадніку энергіі канцэнтрацыя свабодных электронаў, а значыць, і дзірак узрастае, бо павялічваецца колькасць разрываў кавалентных сувязей. Гэтым і тлумачыцца памяншэнне супраціўлення паўправадніка пры яго награванні і апраменьванні.