Полупроводниковые преобразователи, электроны и дырки

Полупроводниковые преобразователи

В древности человечеству было известно совсем немного химических элементов. Перечень их постепенно увеличивали алхимики, колдуя над своими ретортами, а затем уже ученые нашего времени, используя более совершенные исследовательские приборы. При этом обнаружилось, что кроме элементов, образующих тела, проводящие и не проводящие электрический ток (металлы и диэлектрики), есть еще элементы, создающие тела с промежуточными свойствами. Выяснилось, что некоторые соединения уже известных химических элементов тоже образуют вещества с промежуточными свойствами. Такие тела (вещества) получили название полупроводники. Обнаружилось, что на свойства полупроводников можно сильно влиять небольшими добавками других элементов. Так были сорваны «природы крепкие затворы» и найдены материалы, из которых удалось создать полупроводниковые преобразователи электрического тока.

Электроны и дырки

Действие большинства полупроводниковых приборов связано с возможностью создания в полупроводниках двух типов проводимости. Для того, чтобы научиться читать, надо выучить все буквы. Для того, чтобы разобраться в процессах в полупроводниковых приборах, надо сначала разобраться в обеих типах проводимости. Один тип проводимости хорошо известен - это электронная проводимость, создаваемая движением в электрическом поле свободных электронов (так течет ток в металлах). В отличие от металлов, где свободные электроны есть всегда, в полупроводниках при очень низких температурах почти нет свободных электронов. Но с повышением температуры некоторые электроны, участвуя в тепловом движении, получают достаточно большую энергию, чтобы оторваться от своего атома и стать свободными. Они и создают электронную проводимость. В полупроводниках энергия, необходимая, чтобы сделать электрон свободным, относительно невелика, это и позволяет за счет теплового движения значительно увеличить их проводимость.

Если электрон какого-либо атома перешел в свободное состояние и перемещается по всему образцу, то вблизи этого атома одного электрона не хватает. В электронной структуре около атома образовалась «дырка». Электрон из соседнего атома, не имеющий энергии, достаточной, чтобы стать свободным, при определенных условиях может сделать короткий «бросок» - оторваться от своего атома и перейти к первому. Тогда у первого атома дырки уже не будет, но зато появится дырка у второго. Затем электрон от третьего атома может совершить такой же переход, и дырка у второго атома пропадет, а появится у третьего. Все эти переходы электроны совершают по направлению действующего электрического поля. Это и есть второй тип проводимости. Дырка, как видно из изложенного, перемещается в противоположном электрону направлении, т. е. так, как должна двигаться в поле положительно заряженная частица.

Оказывается, очень удобно при анализе процессов в полупроводниках рассматривать такое движение электронов, как движение положительно заряженной частицы - «дырки». Поэтому другой тип проводимости, связанный с движением электронов малыми скачками, назвали дырочной проводимостью.