Klasična elektronička teorija Drude-Lorentz vodljivosti. Elektronička teorija vodljivosti Osnovni principi teorije električne vodljivosti

Sa stajališta klasične elektroničke teorije, visoka električna vodljivost metala posljedica je prisutnosti ogromnog broja slobodnih elektrona, čije se kretanje pokorava zakonima klasične Newtonove mehanike. U ovoj teoriji zanemaruje se međusobno djelovanje elektrona, a njihovo djelovanje s pozitivnim ionima svodi se samo na sudare. Drugim riječima, vodljivi elektroni se smatraju elektronskim plinom, sličnim monatomskom, idealnom plinu. Takav elektronski plin mora poštovati sve zakone idealnog plina. Prema tome, prosječna kinetička energija toplinskog gibanja elektrona bit će jednaka , gdje je masa elektrona, njegova srednja kvadratna brzina, k je Boltzmannova konstanta, T je termodinamička temperatura. Dakle, pri T = 300 K, srednja kvadratna brzina toplinskog gibanja elektrona je »10 5 m/s.

Kaotično toplinsko gibanje elektrona ne može dovesti do pojave električne struje, ali pod utjecajem vanjskog električnog polja dolazi do uređenog gibanja elektrona u vodiču brzinom od . Vrijednost se može procijeniti iz prethodno izvedenog odnosa, gdje je j gustoća struje, koncentracija elektrona, e naboj elektrona. Kako proračun pokazuje, "8×10 -4 m/s. Izuzetno mala vrijednost vrijednosti u odnosu na vrijednost objašnjava se vrlo čestim sudarima elektrona s ionima rešetke. Čini se da je rezultat dobiven za proturječan činjenici da se prijenos električnog signala na vrlo velike udaljenosti događa gotovo trenutno. Ali činjenica je da zatvaranje električnog kruga povlači za sobom širenje električnog polja brzinom od 3 × 10 8 m/s (brzina svjetlosti). Stoga će se uređeno kretanje elektrona brzinom pod utjecajem polja dogoditi gotovo odmah duž cijele duljine kruga, što osigurava trenutni prijenos signala.

Na temelju klasične elektroničke teorije izvedeni su gore razmotreni osnovni zakoni električne struje - Ohmov i Joule-Lenzov zakon u diferencijalnom obliku i. Osim toga, klasična teorija je dala kvalitativno objašnjenje Wiedemann-Franzovog zakona. Godine 1853. I. Wiedemann i F. Franz ustanovili su da je pri određenoj temperaturi odnos koeficijenta toplinske vodljivosti l i specifične vodljivosti g jednak za sve metale. Wiedemann-Franzov zakon ima oblik , gdje je b konstanta neovisna o prirodi metala. Klasična elektronska teorija također objašnjava ovaj obrazac. Elektroni vodljivosti, koji se kreću u metalu, nose sa sobom ne samo električni naboj, već i kinetičku energiju nasumičnog toplinskog gibanja. Stoga su oni metali koji dobro provode struju dobri vodiči topline. Klasična elektronička teorija kvalitativno je objasnila prirodu električnog otpora metala. U vanjskom polju, uređeno kretanje elektrona je poremećeno njihovim sudarima s pozitivnim ionima rešetke. Između dva sudara, elektron se kreće ubrzanom brzinom i dobiva energiju, koju vraća ionu tijekom sljedećeg sudara. Možemo pretpostaviti da se kretanje elektrona u metalu događa uz trenje slično unutarnjem trenju u plinovima. Ovo trenje stvara otpor u metalu.

Međutim, klasična teorija naišla je na značajne poteškoće. Nabrojimo neke od njih:

1. Raskorak između teorije i pokusa nastao je kod proračuna toplinskog kapaciteta metala. Prema kinetičkoj teoriji, molarni toplinski kapacitet metala trebao bi biti zbroj toplinskog kapaciteta atoma i toplinskog kapaciteta slobodnih elektrona. Budući da atomi u čvrstom tijelu vrše samo vibracijska kretanja, njihov molarni toplinski kapacitet je jednak C=3R (R=8,31 ​​J/(mol×K) - molarna plinska konstanta); slobodni elektroni se kreću samo translatorno i njihov molarni toplinski kapacitet je jednak C=3/2R. Ukupni toplinski kapacitet trebao bi biti C»4,5R, ali prema eksperimentalnim podacima C=3R.

Također su znali da su nositelji električne struje u metalima negativno nabijeni elektroni. Ostalo je samo stvoriti opis električnog otpora na atomskoj razini. Prvi pokušaj ove vrste napravio je 1900. godine njemački fizičar Paul Drude (1863-1906).

Smisao elektronske teorije vodljivosti svodi se na činjenicu da svaki atom metala odaje valentni elektron iz vanjske ljuske, a ti slobodni elektroni se šire po metalu, tvoreći neku vrstu negativno nabijenog plina. U ovom slučaju, atomi metala se kombiniraju u trodimenzionalnu kristalnu rešetku, koja praktički ne ometa kretanje slobodnih elektrona unutar nje ( cm. Kemijske veze). Čim se električna razlika potencijala primijeni na vodič (na primjer, kratkim spajanjem dva izvoda baterije na njezina dva kraja), slobodni elektroni počinju se kretati na uredan način. U početku se kreću ravnomjerno ubrzano, ali to ne traje dugo, jer vrlo brzo elektroni prestaju ubrzavati, sudarajući se s atomima rešetke, koji zauzvrat počinju oscilirati s rastućom amplitudom u odnosu na uvjetnu točku mirovanja, a mi promatramo termoelektrični učinak zagrijavanja vodiča.

Ti sudari imaju usporavajući učinak na elektrone, slično kao što je, recimo, čovjeku teško kretati se dovoljno velikom brzinom u gustoj masi ljudi. Kao rezultat toga, brzina elektrona je postavljena na određenu prosječnu razinu, koja se naziva brzina migracije, a ta brzina, zapravo, nipošto nije velika. Na primjer, u običnoj kućnoj električnoj instalaciji prosječna brzina migracije elektrona je samo nekoliko milimetara u sekundi, odnosno elektroni ne lete duž žica, već pužu po njima brzinom dostojnom puža. Svjetlost u žarulji se pali gotovo trenutno samo zato što se svi ti spori elektroni počnu kretati. istovremeno, čim pritisnete tipku prekidača, elektroni u svitku žarulje također se odmah počinju kretati. Odnosno, pritiskom na tipku prekidača proizvodite učinak u žicama sličan onome što bi se dogodilo kada biste uključili pumpu spojenu na crijevo za zalijevanje napunjeno vodom do kraja - mlaz na kraju suprotnom od pumpe će pojuriti van crijeva odmah.

Drude je vrlo ozbiljno shvatio opis slobodnih elektrona. Pretpostavio je da se unutar metala ponašaju poput idealnog plina i na njih je primijenio jednadžbu stanja idealnog plina, prilično pošteno povlačeći analogiju između sudara elektrona i toplinskih sudara molekula idealnog plina. To mu je omogućilo da formulira formulu za električni otpor kao funkciju prosječnog vremena između sudara slobodnih elektrona s atomima kristalne rešetke. Poput mnogih jednostavnih teorija, elektronska teorija vodljivosti je dobra u opisivanju nekih osnovnih pojava u području električne vodljivosti, ali je nemoćna u opisivanju mnogih nijansi ovog fenomena. Konkretno, ne samo da ne objašnjava fenomen supravodljivosti na ultraniskim temperaturama ( cm. Teorija supravodljivosti, naprotiv, predviđa neograničeni porast električnog otpora bilo koje tvari kad njezina temperatura teži apsolutnoj nuli. Stoga se danas elektrovodljiva svojstva materije obično tumače u okviru kvantne mehanike ( cm.

Atom se sastoji od jezgre okružene oblakom elektrona, koji se kreću na određenoj udaljenosti od jezgre unutar slojeva (ljuski) određenih njihovom energijom. Što je elektron koji se okreće dalje od jezgre, to je njegova energetska razina viša. Slobodni atomi imaju diskretan energetski spektar. Pri prijelazu elektrona s jedne dopuštene razine na drugu, udaljeniju, energija se apsorbira, a pri obrnutom prijelazu se oslobađa. Apsorpcija i oslobađanje energije može se odvijati samo u točno određenim obrocima – kvantima. Svaka energetska razina ne može sadržavati više od dva elektrona. Udaljenost između energetskih razina smanjuje se s porastom energije. “Strop” energetskog spektra je razina ionizacije na kojoj elektron dobiva energiju koja mu omogućuje da se oslobodi i napusti atom.

Ako razmotrimo strukturu atoma raznih elemenata, možemo razlikovati ljuske koje su potpuno ispunjene elektronima (unutarnje) i neispunjene ljuske (vanjski). Potonji su slabije povezani s jezgrom i lakše komuniciraju s drugim atomima. Stoga se elektroni koji se nalaze na vanjskoj nedovršenoj ljusci nazivaju valentni elektroni.

Kada se formiraju molekule, između pojedinih atoma djeluju različite vrste veza. Za poluvodiče su najčešće kovalentne veze nastale dijeljenjem valentnih elektrona susjednih atoma. Na primjer, u germaniju, čiji atom ima četiri valentna elektrona, kovalentne veze nastaju u molekulama između četiri susjedna atoma (slika 2.1, a).

Riža. 2.1. Struktura veza atoma germanija u kristalnoj rešetki (a) i simboli zabranjenog i dopuštenog (b)

Ako su atomi u vezanom stanju, tada na valentne elektrone djeluju polja elektrona i jezgri susjednih atoma, uslijed čega se svaka pojedinačna dopuštena energetska razina atoma dijeli na više novih energetskih razina, tj. energije koje su blizu jedna drugoj. Svaka od ovih razina također može sadržavati samo dva elektrona. Skup razina, od kojih svaka može sadržavati elektrone, naziva se dopušteni pojas na slici. . Razmaci između dopuštenih zona nazivaju se zabranjene zone (2 na slici). Niže energetske razine atoma obično ne formiraju vrpce, budući da unutarnje elektronske ljuske u čvrstom tijelu slabo djeluju na susjedne atome, takoreći "zaštićene" vanjskim ljuskama. U energetskom spektru krutog tijela mogu se razlikovati tri vrste vrpci: dopuštene (potpuno ispunjene) vrpce, zabranjene vrpce i vodljive vrpce.

Dopušteni pojas karakterizira činjenica da su sve njegove razine na temperaturi od 0 K ispunjene elektronima. Gornji ispunjeni pojas naziva se valentni pojas.

Zabranjeni pojas karakterizira činjenica da unutar njegovih granica nema energetskih razina na kojima bi se mogli nalaziti elektroni.

Vodljivi pojas karakterizira činjenica da elektroni koji se nalaze u njemu imaju energiju koja im omogućuje da se oslobode veza s atomima i kreću unutar čvrstog tijela, na primjer, pod utjecajem električnog polja.

Razdvajanje tvari na metale, poluvodiče i dielektrike provodi se na temelju vrpčaste strukture tijela pri temperaturi apsolutnoj nuli.

Kod metala se valentni pojas i vodljivi pojas međusobno preklapaju, pa pri 0 K metal ima električnu vodljivost.

Za poluvodiče i dielektrike vodljivi pojas pri 0 K je prazan i nema električne vodljivosti. Razlike između njih su isključivo kvantitativne - u zabranjenom pojasu AE. Najčešći poluvodiči (poluvodiči na temelju kojih se nadaju izraditi visokotemperaturne uređaje u budućnosti) u dielektricima.

U poluvodičima, pri određenoj vrijednosti temperature različitoj od nule, neki od elektrona će imati dovoljnu energiju da prijeđu u vodljivi pojas. Ti elektroni postaju slobodni, a poluvodič postaje električki vodljiv.

Odlazak elektrona iz valentnog pojasa dovodi do stvaranja nepopunjene energetske razine u njemu. Prazno energetsko stanje naziva se rupa.

Valentni elektroni iz susjednih atoma, u prisutnosti električnog polja, mogu se pomaknuti na te slobodne razine, stvarajući rupe negdje drugdje. Ovo kretanje elektrona možemo smatrati kretanjem pozitivno nabijenih fiktivnih naboja – rupa.

Električna vodljivost uslijed gibanja slobodnih elektrona naziva se elektronska, a električna vodljivost uzrokovana kretanjem šupljina naziva se vodljivost šupljina.

U apsolutno čistom i homogenom poluvodiču na temperaturi različitoj od 0 K, slobodni elektroni i šupljine nastaju u parovima, tj. broj elektrona jednak je broju šupljina. Električna vodljivost takvog poluvodiča (intrinzična), zbog uparenih nositelja toplinskog podrijetla, naziva se intrinzična.

Proces formiranja para elektron-šupljina naziva se stvaranje para. U ovom slučaju, generiranje para može biti posljedica ne samo utjecaja toplinske energije (toplinska generacija), već i kinetičke energije pokretnih čestica (udarna generacija), energije električnog polja, energije zračenja svjetlosti (generacija svjetlosti ), itd.

Elektron i šupljina nastali kao rezultat pucanja valentne veze podvrgavaju se kaotičnom gibanju u volumenu poluvodiča sve dok elektron ne bude "uhvaćen" od strane šupljine, a energetska razina šupljine je "zauzeta" elektronom iz vodljivi pojas. U tom se slučaju obnavljaju prekinute valentne veze, a nositelji naboja - elektron i šupljina - nestaju. Ovaj proces obnavljanja pokidanih valentnih veza naziva se rekombinacija.

Vremensko razdoblje koje protekne od trenutka nastanka čestice koja je nositelj naboja do njezine rekombinacije naziva se vrijeme života, a put koji čestica prijeđe tijekom svog života naziva se difuzijska duljina. Budući da je životni vijek svakog nositelja naboja različit, za jednoznačnu karakteristiku poluvodiča pod životnim vijekom najčešće se podrazumijeva prosječno (statističko prosječno) vrijeme života nositelja naboja, a difuzijska duljina je prosječna udaljenost koju prijeđe nositelj naboja. tijekom prosječnog životnog vijeka. Duljina difuzije i životni vijek elektrona i šupljina međusobno su povezani relacijama

gdje je difuzijska duljina elektrona i šupljina; - vijek trajanja elektrona i šupljina; - koeficijenti difuzije elektrona i šupljina (gustoća tokova nositelja naboja pri jediničnom gradijentu njihovih koncentracija).

Prosječni životni vijek nositelja naboja numerički je definiran kao vremenski period tijekom kojeg se koncentracija nositelja naboja uvedenih na ovaj ili onaj način u poluvodič smanjuje za faktor ().

Ako se u poluvodiču stvori električno polje intenziteta E, tada će biti uređeno kaotično kretanje nositelja naboja, tj. šupljine i elektroni počet će se kretati u međusobno suprotnim smjerovima, a šupljine će se kretati u smjeru koji se podudara sa smjerom električnog polja. Nastat će dva suprotno usmjerena toka nositelja naboja, stvarajući struje jednake gustoće

gdje je q naboj nositelja naboja (elektrona); - broj elektrona i šupljina po jedinici volumena tvari; , - pokretljivost nositelja naboja.

Pokretljivost nositelja naboja je fizikalna veličina koju karakterizira njihova prosječna brzina usmjerenja u električnom polju intenziteta , gdje je v prosječna brzina nositelja.

Budući da se nositelji naboja suprotnog predznaka gibaju u suprotnom smjeru, rezultirajuća gustoća struje u poluvodiču

Kretanje nositelja naboja u poluvodiču, uzrokovano prisutnošću električnog polja i potencijalnog gradijenta, naziva se driftom, a struja koju stvaraju ti naboji naziva se drift strujom.

Gibanje pod utjecajem koncentracijskog gradijenta naziva se difuzija.

Specifična vodljivost poluvodiča a može se pronaći kao omjer specifične gustoće struje i jakosti električnog polja:

gdje je otpornost poluvodiča.

POLUVODIČKI DIJELOVI ELEKTRONIČKIH SKLOPOVA

ELEKTRIČNA VODLJIVOST POLUVODIČA

U poluvodiče spadaju materijali koji na sobnoj temperaturi imaju specifični električni otpor od 10 -5 do 10 10 Ohm cm (u tehnologiji poluvodiča uobičajeno je mjeriti otpor 1 cm 3 materijala). Broj poluvodiča premašuje broj metala i dielektrika. Najčešće se koriste silicij, galijev arsenid, selen, germanij, telur, razni oksidi, sulfidi, nitridi i karbidi.

Osnovni principi teorije električne vodljivosti.

Atom se sastoji od jezgre okružene oblakom elektrona, koji se kreću na određenoj udaljenosti od jezgre unutar slojeva (ljuski) određenih njihovom energijom. Što je elektron koji se okreće dalje od jezgre, to je njegova energetska razina viša. Slobodni atomi imaju diskretan energetski spektar. Pri prijelazu elektrona s jedne dopuštene razine na drugu, udaljeniju, energija se apsorbira, a pri obrnutom prijelazu se oslobađa. Apsorpcija i oslobađanje energije može se odvijati samo u točno određenim obrocima – kvantima. Svaka energetska razina ne može sadržavati više od dva elektrona. Udaljenost između energetskih razina smanjuje se s porastom energije. “Strop” energetskog spektra je razina ionizacije na kojoj elektron dobiva energiju koja mu omogućuje da se oslobodi i napusti atom.

Ako razmotrimo strukturu atoma raznih elemenata, možemo razlikovati ljuske koje su potpuno ispunjene elektronima (unutarnje) i neispunjene ljuske (vanjski). Potonji su slabije povezani s jezgrom i lakše komuniciraju s drugim atomima. Stoga se elektroni koji se nalaze na vanjskoj nedovršenoj ljusci nazivaju valentni elektroni.

sl.2.1. Struktura veza atoma germanija u kristalnoj rešetki i simboli zabranjenih i dopuštenih zona.

Kada se formiraju molekule, između pojedinih atoma djeluju različite vrste veza. Za poluvodiče su najčešće kovalentne veze nastale dijeljenjem valentnih elektrona sa susjednim. Na primjer, u siliciju, čiji atom ima četiri valentna elektrona, kovalentne veze nastaju u molekulama između četiri susjedna atoma (slika 2.1, a).

Ako su atomi u vezanom stanju, tada na valentne elektrone djeluju polja elektrona i jezgri susjednih atoma, uslijed čega se svaka pojedinačna dopuštena energetska razina atoma dijeli na više novih energetskih razina, tj. energije koje su blizu jedna drugoj. Svaka od ovih razina također može sadržavati samo dva elektrona. Skup razina, od kojih svaka može sadržavati elektrone, naziva se dopušteni pojas (1; 3 na slici 2.1, b). Praznine između dopuštenih zona nazivaju se zabranjene zone (2 na slici 2.1, b). Niže energetske razine atoma obično ne formiraju vrpce, budući da unutarnje elektronske ljuske u krutom tijelu slabo djeluju na susjedne atome, takoreći "zaštićene" vanjskim ljuskama. U energetskom spektru krutog tijela mogu se razlikovati tri vrste vrpci: dopuštene (potpuno ispunjene) vrpce, zabranjene vrpce i vodljive vrpce.

Dopušteno Zona je karakteristična po tome što su sve njezine razine na temperaturi od 0 K ispunjene elektronima. Gornji ispunjeni pojas naziva se valentni pojas.

Zabranjeno Zona je karakteristična po tome što unutar njezinih granica nema energetskih razina na kojima bi se mogli nalaziti elektroni.

Vodljivi pojas karakterizira činjenica da elektroni koji se nalaze u njemu imaju energiju koja im omogućuje da se oslobode veza s atomima i kreću unutar čvrstog tijela, na primjer, pod utjecajem električnog polja.

Razdvajanje tvari na metale, poluvodiče i dielektrike provodi se na temelju vrpčaste strukture tijela pri temperaturi apsolutnoj nuli.

Kod metala se valentni pojas i vodljivi pojas međusobno preklapaju, pa pri 0 K metal ima električnu vodljivost.

Za poluvodiče i dielektrike vodljivi pojas pri 0 K je prazan i nema električne vodljivosti. Razlike između njih su čisto kvantitativne - u zabranjenom pojasu ΔE. Za najčešće poluvodiče ΔE=0,1÷3 eV (za poluvodiče, na temelju kojih se u budućnosti nadaju izraditi visokotemperaturne uređaje, ΔE=3÷6 eV), za dielektrike ΔE>6 eV.

U poluvodičima, pri određenoj vrijednosti temperature različitoj od nule, neki od elektrona će imati dovoljnu energiju da prijeđu u vodljivi pojas. Ti elektroni postaju slobodni, a poluvodič postaje električki vodljiv.

Odlazak elektrona iz valentnog pojasa dovodi do stvaranja nepopunjene energetske razine u njemu. Prazno energetsko stanje naziva se rupa. Valentni elektroni susjednih atoma u prisutnosti električnog polja mogu se pomaknuti na te slobodne razine, stvarajući rupe negdje drugdje. Ovo kretanje elektrona može se smatrati kretanjem pozitivno nabijenih fiktivnih naboja — rupa.

Električna vodljivost uslijed gibanja slobodnih elektrona naziva se elektronska, a električna vodljivost uzrokovana kretanjem šupljina naziva se vodljivost šupljina.

U apsolutno čistom i homogenom poluvodiču na temperaturi različitoj od 0 K slobodni elektroni i šupljine nastaju u parovima, tj. broj elektrona jednak je broju šupljina. Električna vodljivost takvog poluvodiča (intrinzična), zbog uparenih nositelja toplinskog podrijetla, naziva se intrinzična.

Proces formiranja para elektron-šupljina naziva se stvaranje para. U ovom slučaju, generiranje para može biti posljedica ne samo utjecaja toplinske energije (toplinska generacija), već i kinetičke energije pokretnih čestica (udarna generacija), energije električnog polja, energije zračenja svjetlosti (generacija svjetlosti ), itd.

Elektron i šupljina nastali kao rezultat pucanja valentne veze podvrgavaju se kaotičnom gibanju u volumenu poluvodiča sve dok elektron ne bude "uhvaćen" od strane šupljine, a energetska razina šupljine je "zauzeta" elektronom iz vodljivi pojas. U tom slučaju, prekinute valentne veze se obnavljaju, a nositelji naboja - elektron i šupljina - nestaju. Ovaj proces obnavljanja pokidanih valentnih veza naziva se rekombinacija.

Vremensko razdoblje koje protekne od trenutka nastanka čestice koja je nositelj naboja do njezine rekombinacije naziva se vrijeme života, a put koji čestica prijeđe tijekom svog života naziva se difuzijska duljina. Budući da je životni vijek svakog nositelja različit, za jednoznačnu karakterizaciju poluvodiča, životni vijek se najčešće shvaća kao prosječno (statističko prosječno) vrijeme trajanja nositelja naboja, a difuzijska duljina je prosječna udaljenost koju nositelj naboja prijeđe tijekom prosječnog životnog vijeka. . Duljina difuzije i životni vijek elektrona i šupljina međusobno su povezani relacijama

; (2,1)

gdje je , difuzijska duljina elektrona i šupljina;

, – životni vijek elektrona i šupljina;

– koeficijenti difuzije elektrona i šupljina (gustoća tokova nositelja naboja pri jediničnom gradijentu njihovih koncentracija).

Prosječni životni vijek nositelja naboja numerički je definiran kao vremenski period tijekom kojeg se koncentracija nositelja naboja uvedenih na ovaj ili onaj način u poluvodič smanjuje za e jednom ( e≈2,7).

Ako se u poluvodiču stvori električno polje intenziteta E, tada će kaotično kretanje nositelja naboja biti uređeno, tj. rupe i elektroni počet će se kretati u međusobno suprotnim smjerovima, pri čemu rupe u smjeru koji se podudara sa smjerom električnog polja. Nastat će dva suprotno usmjerena toka nositelja naboja, stvarajući struje jednake gustoće

Iv dr. = qnμ n E; Jp dr. = qpμ p E,(2,2)

Gdje q– naboj nositelja naboja (elektrona);

n, str– broj elektrona i šupljina po jedinici volumena tvari (koncentracija);

μ n , μ p – pokretljivost nositelja naboja.

Pokretljivost nositelja naboja je fizikalna veličina koju karakterizira njihova prosječna usmjerena brzina u električnom polju jakosti 1 V/cm; μ =v/E, Gdje v– prosječna brzina nosača.

Budući da se nositelji naboja suprotnog predznaka gibaju u suprotnim smjerovima, rezultirajuća gustoća struje u poluvodiču

J dr. = Iv dr. + Jp dr =( qnμ n +qpμ str)E (2.3)

Kretanje nositelja naboja u poluvodiču, uzrokovano prisutnošću električnog polja i potencijalnog gradijenta, naziva se driftom, a struja koju stvaraju ti naboji naziva se drift strujom.

Gibanje pod utjecajem koncentracijskog gradijenta naziva se difuzija.

Specifična vodljivost poluvodiča σ može se pronaći kao omjer specifične gustoće struje i jakosti električnog polja

σ =1/ρ= J/E=qnμ n +qpμ str,

gdje je ρ otpornost poluvodiča.

Električna vodljivost nečistoća. Električna svojstva poluvodiča ovise o sadržaju atoma primjesa u njima, kao io raznim defektima kristalne rešetke: praznim mjestima rešetke, atomima ili ionima smještenim između mjesta rešetke itd. Nečistoće su akceptorske i donorske.

Akceptorske nečistoće. Atomi akceptorskih nečistoća sposobni su prihvatiti jedan ili više elektrona izvana, pretvarajući se u negativni ion.

Ako se, na primjer, trovalentni atom bora uvede u silicij, stvara se kovalentna veza između bora i četiri susjedna atoma silicija i dobiva se stabilna osmeroelektronska ljuska zahvaljujući dodatnom preuzetom elektronu od jednog od atoma silicija. Ovaj elektron, "vezan", pretvara atom bora u stacionarni negativni ion (Slika 2.2, a). Na mjestu otputovanog elektrona nastaje šupljina koja se dodaje vlastitim šupljinama nastalim zagrijavanjem (toplinska generacija). U tom će slučaju koncentracija šupljina u poluvodiču premašiti koncentraciju slobodnih elektrona vlastite vodljivosti (p>n). Stoga u poluvodiču

sl.2.2. Struktura (a) i pojasni dijagram (b) poluvodiča s akceptorskim primjesama.

rupa električna vodljivost će prevladati. Takav se poluvodič naziva p-tip poluvodiča.

Kada se na ovaj poluvodič dovede napon, dominantna će komponenta struje, tj. Iv