Рассмотрим кристаллическую решётку полупроводника на примере кремния (Si). В данном случае условимся, что полупроводник не имеет примесей и является полупроводником i-типа.
Атомы вещества, расположенные в определённом порядке, как правило, по вершинам геометрических фигур, образуют пространственную кристаллическую решётку (Что такое кристаллическая решётка?). Для более наглядного представления о физических явлениях в полупроводниковом кремнии вместо пространственной решётки используем её плоскостное изображение (рисунок 1).
Рисунок 1 – Фрагмент кристаллической решётки кремния (собственного полупроводника) при температуре абсолютного нуля
В узлах кристаллической решётки расположены атомы кремния. Для полупроводников наиболее распространёнными являются ковалентные связи, которые образуются за счёт обобществления валентных электронов соседних атомов (Что такое валентный электрон?). Так, атом кремния имеет четыре валентных электрона, которые образуют с электронами соседних атомов четыре ковалентные связи, что видно на рисунке 1.
Суть ковалентной связи, с точки зрения траектории движения электронов, сводится к тому, что электроны вращаются не вокруг одного атома, а по электронным оболочкам, являющимися общими для нескольких атомов. При наличии всех электронных связей между атомами кристалл является диэлектриком, а сам атом будет электрически нейтрален. Такое состояние кристалла полупроводника наблюдается только при температуре абсолютного нуля. С точки зрения зонной теории твёрдого тела отсутствие электропроводности полупроводников при температуре 0К объясняется тем, что валентная зона полупроводника в этом состоянии полностью заполнена валентными электронами, а зона проводимости пуста, т.е. электроны проводимости в ней отсутствуют (рисунок 2).
Рисунок 2 – Зонная структура полупроводника при температуре абсолютного нуля
Для повышения электропроводности собственного полупроводника необходимы свободные носители заряда, которые могут появиться в нём только при нарушении ковалентных связей и отрыве валентных электронов от атомов. Отрыв валентных электронов возможен только в том случае, если им придать необходимую энергию, достаточную для преодоления запрещённой зоны. Это может быть тепло, излучение или энергия электрического поля и др. Величина энергии зависит от типа полупроводника: для кремния она равна 1,1 эВ (Что такое электрон вольт?)
Рассмотрим вариант с повышением температуры. При повышении температуры (даже не значительном) узлы кристаллической решётки полупроводника приходят в колебательное движение относительно своего положения равновесия. Генерируемая атомами при этом тепловая энергия передаётся электронам. Если значение добавочной энергии (в этом случае она называется энергией диссоциации), которую получают валентные электроны, больше значения энергии, характеризующей ширину запрещённой зоны, то электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости. Такие электроны разрывают ковалентные связи и становятся электронами проводимости, повышая электропроводность полупроводника.
С повышением температуры количество электронов проводимости в полупроводнике увеличивается. Терминологическое отличие между понятиями свободный электрон и электрон проводимости состоит в том, что к первым относят электроны, которые перемещаются в вакууме или разреженном газе, а ко вторым – электроны, которые перемещаются в межатомном пространстве вещества. Уход электрона из валентной зоны энергетической диаграммы приводит к образованию в ней незаполненного энергетического уровня – вакансии. Незаполненная валентная связь, которая проявляет себя как положительный заряд, численно равный заряду электрона называется дыркой проводимости (рисунок 3).
Рисунок 3 – Фрагмент кристаллической решётки кремния (собственного полупроводника) при температуре отличной от нуля
Процесс перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, т.е. образование электронов проводимости и дырок схематически показан на энергетической диаграмме на рисунке 4.
Рисунок 4 – Зонная структура полупроводника при температуре отличной от нуля
Атом, потерявший валентный электрон, приобретает положительный заряд, равный заряду электрона. Такое состояние атома неустойчиво. Ведь на место дырки может перейти валентный электрон с валентной оболочки соседнего атома, заполнив её, но, тем самым, на месте ушедшего электрона образовывается новая дырка и т.д. (рисунок 5). Электроны, идущие на заполнение дырок, называются электронами замещения.
Рисунок 5 – Что такое электрон замещения?
Процесс возникновения в полупроводнике пары электрон проводимости - дырка проводимости в результате энергетического воздействия называется генерацией пары носителей заряда, а обусловленная такой генерацией электропроводность полупроводника при любом способе возбуждения называется собственной электропроводностью полупроводника.
Обратный процесс, т.е. процесс нейтрализации пары электрон проводимости - дырка проводимости называется рекомбинацией носителей заряда полупроводника.
Носители заряда, возникновение которых явилось следствием тепловых колебаний кристаллической решётки полупроводника в условиях термодинамического равновесия называются равновесными носителями заряда полупроводника. В свою очередь, неравновесные носители заряда полупроводника – это носители заряда, не находящиеся в термодинамическом равновесии по концентрации и (или) по энергетическому распределению.
В полупроводнике i-типа концентрация электронов ni равна концентрации дырок pi, так как одновременно образуется пара заряженных частиц: электрон проводимости и дырка.
Если к полупроводнику подключить электрическое поле с вектором напряжённости E, то электроны проводимости и электроны замещения начнут двигаться упорядоченно в направлении, противоположном направлению вектора напряжённости электрического поля (рисунок 6).
Рисунок 6 – Фрагмент кристаллической решётки кремния (собственного полупроводника) при помещении его во внешнее электрическое поле
Электроны замещения двигаются от атома к атому, а электроны проводимости двигаются к положительному электроду источника внешнего электрического поля. Такое движение электронов проводимости называют дрейфом, а ток, возникающий в результате дрейфа свободных носителей заряда – дрейфовым. В соответствии с ГОСТ дрейфовый ток - это направленное движение носителей заряда в полупроводнике, вызванное градиентом потенциала электрического поля.
Направление движения дырок проводимости противоположно направлению движения электронов проводимости и совпадает с направлением вектора напряжённости внешнего электрического поля.
Таким образом, ток в беспримесном полупроводнике создаётся электронами проводимости и дырками, движущимися навстречу друг другу. Это является самым главным отличием полупроводниковой электроники от вакуумной, где ток создаётся только свободными электронами, возникающими в результате термоэлектронной эмиссии.
Возникающий в собственном полупроводнике ток собственной проводимости очень мал, поэтому для получения большей величины используют примеси пяти- и трёхвалентных элементов. Атомы примесей замещают в кристаллической решётке атомы монокристалла и изменяют его свойства (см. примесные полупроводники)