Полупроводники. 
Среднее время жизни неравновесных носителей зарядов

Полупроводники — широкий класс веществ, характеризующихся значениями электропроводности промежуточными между электропроводностью металлов и хороших диэлектриков. Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является возрастание электропроводности с ростом температуры, причём, как правило, в достаточно широком интервале температур возрастание происходит экспоненциально. К числу полупроводников относятся многие химические элементы, такие как германий, кремний, селен, теллур и др. Почти все неорганические вещества в нашем мире являются полупроводниками.

Наиболее употребительные полупроводниковые материалы при комнатной температуре обладают сравнительно малой электропроводностью, которая обусловлена двумя механизмами переноса заряда. Первый механизм состоит в движении по полупроводниковому образцу так называемых свободных электронов и называется электронной электропроводностью. Второй механизм заключается в движении несвободных — валентных электронов, которые при наличии вакансий в валентной зоне могут перескакивать от атома к атому и тем самым двигаться по объему полупроводника. Данный механизм электропроводности называется дырочным. Это название обусловлено тем, что эстафетное движение валентных электронов от атома к атому представляется как встречное движение положительно заряженных частиц, называемых дырками.

Переносчиками заряда в полупроводниках являются электроны. Однако, в отличие от металлов, где валентные электроны могут свободно перемещаться по объему материала, почти все валентные электроны полупроводника связаны со своими атомами и не могут переносить заряд по объему полупроводника. При комнатной температуре лишь небольшая часть валентных электронов обладает энергией теплового движения, достаточной для отрыва от атомов, и может передвигаться по объему. Эти электроны называют свободными или электронами проводимости. Появление свободных электронов сопровождается образованием электронных вакансий в атомах полупроводника. Эти вакансии могут заниматься валентными электронами соседних атомов. В результате появляется возможность перемещения по объему полупроводника и валентных электронов. Таким образом, электропроводность полупроводников осуществляется двумя механизмами: перемещением свободных электронов и перемещением валентных электронов. И те, и другие увлекаются внешним электрическим полем в одну сторону, создавая электрический ток.

В идеальных кристаллах свободные электроны и дырки появляются всегда парами, так что концентрации обоих типов носителей равны. В реальных кристаллах, содержащих примеси и дефекты структуры, равенство концентраций электронов и дырок может нарушаться и проводимость осуществляется практически только одним типом носителей.

Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей, которые разделяются на два типа: донорные и акцепторные. Ничтожного количества примеси в чистый полупроводник достаточно для изменения его электропроводности на несколько порядков. Это обусловлено тем, что примесные атомы в составе кристаллической решетки полупроводника могут либо поставлять в нее электроны проводимости, либо поглощать валентные электроны полупроводника, увеличивая тем самым концентрацию дырок. Примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения такого же числа дырок, называются донорными. Примеси, захватывающие валентные электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными.

По виду проводимости полупроводники делятся на электронные и дырочные полупроводники.

Электронным полупроводником или полупроводником типа n называется полупроводник, в кристаллической решетке которого, помимо основных (четырехвалентных) атомов содержатся примесные пятивалентные атомы, называемые донорами. В такой кристаллической решетке четыре валентных электрона примесного атома заняты в ковалентных связях, а пятый электрон не может вступить в нормальную ковалентную связь и легко отделяется от примесного атома, становясь свободным носителем заряда. При этом примесный атом превращается в положительный ион. При комнатной температуре практически все примесные атомы оказываются ионизированными. Наряду с ионизацией примесных атомов в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, в результате которой образуются свободные электроны и дырки. Однако концентрация возникающих в результате генерации электронов и дырок значительно меньше концентрации свободных электронов, образующихся при ионизации примесных атомов, т.к. энергия, необходимая для разрыва ковалентных связей, существенно больше энергии, затрачиваемой на ионизацию примесных атомов. Концентрация электронов в электронном полупроводнике обозначается nn, а концентрация дырок — pn. Электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.

Дырочным полупроводником или полупроводником типа p называется полупроводник, в кристаллической решетке которого содержатся примесные трехвалентные атомы, называемые акцепторами. В такой кристаллической решетке одна из ковалентных связей остается незаполненной. Свободную связь примесного атома может заполнить электрон, покинувший одну из соседних связей. При этом примесный атом превращается в отрицательный ион, а на том месте, откуда ушел электрон, возникает дырка. В дырочном полупроводнике, также как и в электронном, происходит тепловая генерация носителей заряда, но их концентрация во много раз меньше концентрации дырок, образующихся в результате ионизации акцепторов. Концентрация дырок в дырочном полупроводнике обозначается pp, они являются основными носителями заряда, а концентрация электронов обозначается np, они являются неосновными носителями заряда.