1.1.1. Чисти полупроводници.

Полупроводниковите материали заемат междинно място в електрическата проводимост между проводниците и изолаторите. Специфичното съпротивление на такива добри проводници като сребро, мед, желязо е 10 -6 ... 10 -4 ома · cm. Добри изолатори: кварц, слюда, каучук, хартия - имат съпротивление от 10 18 до 10 10 ома · cm. Интервалът на съпротивление 10 6 ... 10 -3 ома · cm е зает от полупроводници.

Кристали от чист силиций и германий се използват за производството на съвременни полупроводникови устройства и особено на интегрални схеми. Равномерната кристална решетка под формата на тетраедри от тези материали, атомите на които имат четири валентни електрона на външната обвивка, осигуряват стабилна структура: съседните атоми на кристала се комбинират по двойки, така че всеки атом е стабилна структура с осем електрони на външната обвивка, която включва четири съседни атома ... На фиг. 1.1. показва опростен плосък модел на атомна връзка в кристал от чист (чист) силиций, където всяка линия между атомите означава ковалентна връзка. Поради неразличимостта на отделните електрони, всеки валентен електрон се оказва, че принадлежи еднакво на всички атоми на кристала.

Такава структура при температура от абсолютна нула е изолатор, тъй като няма свободни електрони, които причиняват електрическа проводимост. С повишаване на температурата обаче дори такива силни връзки могат да се разкъсат, което ще доведе до появата, от една страна, на свободни електрони, а от друга, до така наречените "дупки" - места в решетката че електроните са напуснали. Свободният електрон може да заеме дупка (ще настъпи рекомбинация). Дупката може да бъде заета от най-близкия обвързан електрон, в резултат на което на предишното си място се образува нова дупка. Всеки преход на електрон от един атом към друг е придружен едновременно от противоположния преход на дупка. Ако електронът има отрицателен заряд, тогава на дупката обикновено се приписва положителен заряд със същата величина като електронния заряд. Дупката сякаш се движи (движи) по кристала, точно като електрон.

Процесът на образуване под влияние на температурата на двойка електрон-дупка се нарича термогенерация. Така в чист полупроводник електроните и дупките се лутат хаотично едновременно и броят им е еднакъв и този брой се увеличава с увеличаване на температурата. При определена температура съществува термодинамично равновесие между генерирането и рекомбинацията, в резултат на което в полупроводника се установява определена, съвсем определена концентрация на свободни носители на заряд. Извиква се средният живот на двойка електрон-дупка живот на превозвачите заряд, а разстоянието L, изминато от частицата по време на нейния живот е дифузионна дължина. Броят на свободните носители на заряд (електрони ni и дупки pi) в чист 1 полупроводник се определя от връзката

където е енергията на активиране, T е абсолютната температура, k е константата на Болцман.

При липса на външно електрическо поле носителите на заряд се движат хаотично в полупроводник. Това движение се нарича дифузия. Дифузионното движение на зарядите се дължи на неравномерната концентрация на заряди и топлинна енергия.

Ако сега към кристала се приложи външно напрежение, тогава може да възникне малък ток дрейф електрони и дупки, а дрейфовите скорости на електрон и дупка са различни, те зависят от тяхната подвижност и силата на електрическото поле. Като цяло броят на свободните електрони и дупките е незначителен. Например, в германиев кристал при стайна температура има само 2 свободни електрона на 10 10 атома, но има 10 22 атома в 1 грам германий. По този начин един грам съдържа 2 · 10 12 свободни електрона, което създава присъщата проводимост на чист полупроводник. Необходими са обаче 6 х 10 18 електрона в секунда, за да се създаде ток от един ампер! Следователно токът на чист полупроводник е много малък.

Термичното генериране на свободни носители, тяхното отклонение, дифузия и рекомбинация са много важни за разбирането на процесите, протичащи в полупроводниците, но те не изчерпват цялото разнообразие от явления, възникващи в полупроводника. Много въпроси от количествения анализ на работата на полупроводниците се основават на теорията на твърдото обхват 2 .

1 Параметрите на чист полупроводник обикновено се означават с индекс i от присъщо - вярно.
2 Тези въпроси са обсъдени подробно в курса "Физически основи на микросхемата".