Власні напівпровідники.

Власними напівпровідниками називаються чисті напівпровідники, що не містять домішок. Власні напівпровідники мають кристалічну структуру, що характеризується періодичним розташуванням атомів у вузлах просторової кристалічної решітки. У такій решітці кожен атом взаємно пов'язаний з чотирма сусідніми атомами ковалентними зв'язками (мал.), в результаті яких відбувається обєднання валентних електронів та утворення стійких електронних оболонок, що складаються з восьми електронів. При температурі абсолютного нуля (T = 0 ° K) всі валентні електрони перебувають у ковалентних зв'язках, отже, вільні носії заряду відсутні, і напівпровідник подібний до діелектрика. При підвищенні температури або при опроміненні напівпровідника валентний електрон може вийти з ковалентного зв'язку й стати вільним носієм електричного заряду. (мал.а)). При цьому ковалентний зв'язок стає дефектним, у ньому утворюється вільне (вакантне) місце, яке може зайняти один з валентних електронів сусіднього зв'язку, в результаті чого вакантне місце переміститься до іншої пари атомів. Переміщення вакантного місця усередині кристалічної решітки можна розглядати як переміщення деякого фіктивного (віртуального) позитивного заряду, величина якого дорівнює заряду електрона. Такий позитивний заряд прийнято називати діркою.

Процес виникнення вільних електронів і дірок, обумовлений розривом ковалентних зв'язків, називається тепловою генерацією носіїв заряду, який відбувається із певною швидкістю генерації G, що визначає кількість пар носіїв заряду, які виникають в одиницю часу в одиниці об'єму. Швидкість генерації тим більша, чим вища температура і чим менша енергія, витрачається на розрив ковалентних зв'язків. Електрони й дірки, що утворились в результаті генерації перебуваючи в стані хаотичного теплового руху, через деякий час, середнє значення якого називається часом життя носіїв заряду, зустрічаються один з одним, в результаті чого відбувається відновлення ковалентних зв'язків. Цей процес називається рекомбінацією носіїв заряду, який відбувається із певною швидкістю рекомбінації R, що визначає кількість пар носіїв заряду, зникаючих в одиницю часу в одиниці об'єму. Добуток швидкості генерації на час життя носіїв заряду визначає їхню концентрацію, тобто кількість електронів і дірок в одиниці об'єму. При незмінній температурі генераційно-рекомбінаційні процеси перебувають у динамічній рівновазі, тобто в одиницю часу народжується і зникає однакова кількість носіїв заряду (R = G). Стан напівпровідника, коли R = G, називається рівноважним; у цьому стані у власному напівпровіднику встановлюються рівноважні концентрації електронів і дірок, що позначаються n_i і p_i. Оскільки електрони і дірки генеруються парами, то виконується умова: n_i = p_i. При цьому напівпровідник залишається електрично нейтральним, тому що сумарний негативний заряд електронів компенсується сумарним позитивним зарядом дірок. При кімнатній температурі в кремнію n_i = p_i = 1, 4•10¹⁰ см-3, а в германію n_i = p_i = 2, 5•10¹³ см-3. Різниця в концентраціях пояснюється тим, що для розриву ковалентних зв'язків в кремнію потрібні більші витрати енергії, ніж у германію. Зі зростанням температури концентрації електронів і дірок зростають за експоненціальним законом.