Все вещества образованы атомами, состоящими из положительно заряженных ядер и вращающихся вокруг них отрицательно заряженных электронов. Ядро включает электрически нейтральные частицы — нейтроны и положительно заряженные протоны. Количество протонов определяет заряд ядра. Отрицательный заряд электрона по величине равен положительному заряду протона. В нормальном состоянии число электронов, образующих электронную оболочку атома, равно числу протонов в ядре и атом электрически нейтрален. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, сгруппированным в слои. Каждому слою соответствует строго определенная энергия электрона W (так называемый разрешенный энергетический уровень). Количество электронов в слоях строго определено: в первом, ближайшем к ядру слое может находиться не более двух электронов, во втором — не более восьми и т.п. Электроны целиком заполненных слоев устойчивы к внешним воздействиям. Не «уместившиеся» во внутренних слоях электроны образуют незаполненный внешний слой, который легко отдает и воспринимает электроны. Эти электроны определяют валентность элемента при химических реакциях. Чем дальше от ядра расположена орбита электрона, тем большей энергией он обладает. Под воздействием энергии теплоты, света, радиации или каких-либо других внешних факторов электрон из валентной зоны может перейти на новую, более удаленную от ядра орбиту. Такой электрон называется возбужденным, а при дальнейшем увеличении энергии, называемой работой выхода, электрон покидает поверхность вещества.
Электропроводность – характеризует свойства материалов проводить электрический ток. Количественно она оценивается:
1) Удельной проводимостью вещества,
2) Концентрацией свободных носителей заряда (n).
В зависимости от способности материалов проводить электрический ток они делятся на три вида:
- диэлектрики (n≈10-²) эл/см³
- полупроводники (1012<n<1016 эл/см³)
- проводники (n≈1019эл/см³).
Диэлектрики - вещества, которые практически не проводят электрический ток. Проводники – вещества, хорошо проводящие электрический ток. Полупроводники – вещества, нечто среднее между проводниками и изоляторами. Структура полупроводника напоминает кристаллическую решётку алмаза. Полупроводник имеет жёсткую структуру за счёт ковалентных связей между атомами. Важнейшим свойством полупроводников является сильная зависимость их проводимости от температуры окружающей среды, светового потока (Φ), примесей, ионизирующего облучения.
В кристалле происходит взаимодействие между соседними атомами, заключающееся в том, что на электроны «своего» атома воздействуют ядра соседних атомов. В результате разрешенные энергетические уровни электронов смещаются и расщепляются на несколько — по числу соседних атомов в кристаллической решетке. Эти уровни создают энергетические зоны. Совокупность энергетических уровней, соответствующих внешнему слою электронов, образует валентную зону. Разрешенные уровни энергии, которые остаются незанятыми, составляют зону проводимости, так как ее уровни могут занимать побужденные электроны, обеспечивающие электропроводность вещества. Между валентной зоной и зоной проводимости может располагаться запрещенная зона.
Зонная структура лежит и основе разделения веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики.
Носителями тока в полупроводниках являются электроны и дырки (носители положительных зарядов).
Дырка – условный термин, который применяется к атому кристаллического вещества, у которого выбит один электрон. Дырка характеризуется положительным зарядом, равным по величине заряду электрона.
В идеальных кристаллах электроны и дырки являются всегда парами, так что концентрации обоих типов носителей равны. Электроны и дырки могут перемещаться в полупроводнике под действием электрического поля. Это делает кристалл способным проводить электрический ток Проводимость, обусловленная образовавшимися зарядами, называется собственной проводимостью полупроводника.
В реальных кристаллах, содержащих примеси и дефекты структуры, это равенство может нарушаться и проводимость осуществляется только одним типом носителей. В отличие от собственной проводимости полупроводников, проводимость, обусловленная примесными атомами, называется примесной. Характером носителей зарядов и значением примесной электропроводности можно управлять, подбирая состав и концентрацию примесей.
Если в решетку германия внести примесь пятивалентного вещества, например сурьмы, то четыре ее электрона вступят в ковалентную связь с соседними атомами германия. Пятый электрон сурьмы слабо связан с кристаллической решеткой и, легко отрываясь, становится свободным. На месте ушедшего электрона образуется неподвижный положительный ион. При наличии электрического поля перемещаться могут только электроны. Поэтому полупроводники такого типа получили название полупроводников п-типа (отрицательный). Таким образом, полупроводники п-типа характеризуются наличием свободных электронов и связанных положительных зарядов.
Если в германий добавить трехвалентную примесь, например, индия, то для образования устойчивой структуры индию не хватит одного электрона и одно место в решетке окажется вакантным. На это место может перейти электрон из соседнего атома. Тогда на месте ушедшего электрона образуется дырка, а примесный атом индия превращается в связанный отрицательный заряд. В электрическом поле будут перемещаться только дырки. Полупроводники такого вида получили название р-полупроводники (положительный).
В примесных полупроводниках, кроме примесной проводимости, существуют пары электрон—дырка, обусловленные собственной проводимостью (за счет температуры). В полупроводниках n-типа электроны называются основными носителями, а дырки—неосновными носителями. В полупроводниках р-типа основными носителями, являются дырки, а электроны — неосновными.