Струми власних напівпровідників

Процеси провідності у напівпровідниках відрізняються від процесів провідності у металах. Основна відмінність полягає у тому, що провідність у напівпровідниках здійснюється двома різними та незалежними видами рухів електронів, і що цими видами можна керувати у широких межах, добавляючи дуже малу кількість відповідних елементів до основного напівпровідникового матеріалу.

Якщо до напівпровідника не прикладена електрична напруга, то електрони та дірки здійснюють хаотичний тепловий рух і ніякого струму немає. Під дією різниці потенціалів у напівпровіднику виникає електричне поле, яке прискорює рух електронів та дірок і надає їм деякого спрямованого руху. Це і є струм провідності.

Рух носіїв заряду під дією електричного поля називають дрейфом, а струм провідності - струмом дрейфу I_др. Повний струм провідності складається з електронного I_nдр та діркового струмів провідності I_pдр:

.

Незважаючи на те, що електрони та дірки рухаються у протилежних напрямах, їхні струми складаються, бо рух дірок являє собою переміщення електронів. Рухомість дірок менша від рухомості електронів, атому діркова складова менша від електронної.

Густина струму дрейфу І_др складається з густини електронного та діркового струмів:

.

Густина струму І дорівнює кількості електрики, яка проходить через одиницю площини поперечного перерізу за 1 с, а тому можна записати:

,

,

де n_і - концентрація електронів; q - заряд електрона; V_n - середня швидкість поступального руху електронів під дією поля.

Експериментальне встановлено, що дрейфова швидкість пропорційна напруженості поля

де m - коефіцієнт пропорційності, який називають рухомістю електронів:

Рухомість електронів — це середня швидкість їхнього поступального руху під дією електричного поля з одиничною напруженістю (Е = 1В). Одиниця рухомості електронів - квадратний сантиметр на вольт-секунду (см²/В-с). Рухомість електронів залежить від властивостей кристалічних ґрат, наявності домішок і температури. При кімнатній температурі рухомість електронів у германії, як показують вимірювання, дорівнює 3900 см²/(В-с), а у кремнії - 1350 см²/(В-с). Рухомість дірок за даними вимірювань, значно нижча від рухомості електронів. Так, наприклад, у германії вона становить 1900 см²/ (В-с ), а у кремнії - 430 см²/(В-с). Зі збільшенням температури ру­хомість дірок зменшується швидше, ніж рухомість електронів.

Поняття рухомості носіїв заряду є важливим для оцінки динамічних властивостей напівпровідникових приладів. Чим більша рухомість, тим менша інерційність приладу, тобто ефективність керування приладом зберігається в широкому частотному діапазоні, а отже, прилад має більшу швидкодію. Тому активні прилади побудовані з використанням напівпровідників n -типу, мають поліпшені динамічні властивості. Густина електронної складової дрейфового струму

. (7.6)

У формулі (7.6) добуток n_iem_n є питомою електронною провідністю s_n, тому .

Густину діркового струму визначають за формулою

, (7.7)

де р_іqm_p=s_p - питома діркова провідність.