Электроны и дырки


Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Полупроводниковые материалы имеют кристаллическую структуру. При низкой температуре большинство внешних электронов в полупроводнике находятся в атомах на своих местах и полупроводник плохо проводит ток. Но связаны электроны с атомами слабее, чем в диэлектрике. При росте температуры, сопротивление полупроводников падает, то есть проводимость полупроводника в отличии от металлов при нагревании увеличивается. Иначе говоря, при нагревании в полупроводнике увеличивается количество свободных электронов, тем самым увеличивая способность проводить электрический ток. Этот эффект называют электронной проводимостью полупроводника.

С другой стороны, поскольку атомы полупроводника закреплены в кристаллической решетке, атомы лишившиеся электрона приобретают положительный заряд, получается "дырка". Электроны соседних атомов перескакивают к атому с положительным зарядом, таким образом возникает видимость движения положительного заряда - "дырочная" проводимость. Закономерности "дырочной" проводимости таковы, что этим "дыркам" физики условно приписывают и заряд (положительный, равный заряду электрона), и "эффективную массу".

Электроны и дырки

В чистом полупроводнике, проводимость которого обусловлена тепловым возбуждением, при приложении потенциала, одинаковое число электронов и дырок движется в разных направлениях. При добавлении в полупроводник атомов легко отдающих электроны, в полупроводнике превалирует электронная проводимость и сопротивление электрическому току резко падает. Такой полупроводник называют полупроводником n-типа.

Аналогично, при легировании материалами, способными захватывать лишние электроны, получают полупроводник p-типа.

Если в полупроводнике одна часть обладает проводимостью p-типа, а другая - n-типа, между этими областями возникает граница, обладающая односторонней проводимостью. На этом принципе работает большинство полупроводниковых диодов и транзисторов. Кроме того, на границе возникает энергетический барьер, для преодоления которого необходимо приложить дополнительный потенциал. В результате этого, полупроводниковый диод имеет падение напряжения при прямом токе. При положительной полярности внешнего напряжения, плюс - к p-зоне, минус - к n-зоне, происходит перескакивание электронов и дырок (рекомбинирование), в результате чего выделяется энергия. В случае выпрямительных диодов и транзисторов, стараются максимально уменьшить энергетический барьер, так как рекомбинация происходит с выделением тепла, равным энергии барьера, или энергии рекомбинации. Если же увеличить энергию рекомбинации, то при достижении уровня энергии фотонов видимого света, частично процесс рекомбинации происходит с излучением света. Соотношение тепловой и излучательной рекомбинации называют квантовым выходом, или эффективностью светодиода.

Поскольку энергия рекомбинации равна величине энергетического барьера, излучение происходит в узкой области спектра. Поэтому все светодиоды излучают монохроматическое излучение. Белые (полихромные) светодиоды в своей основе имеют также монохроматические светодиодные чипы.

Сначала полупроводниковые приборы делали "гомопереходными", в них p-n- переход возникал в полупроводнике одного базового вещества. Но вскоре появилась устройства, в которых такой переход создавался на границе двух различных полупроводников. В результате, появилась возможность создать полупроводниковые приборы меньшего размера и с большей эффективностью. Так, первые "гомопереходные" полупроводниковые светодиоды могли работать только при температуре жидкого азота, а "гетеропереходные" работают и при комнатной температуре.

При выборе материалов для изготовления светодиодов, существенными становятся оптические свойства полупроводников. Материал одного из компонентов должен быть прозрачным или чрезвычайно тонким, а граница или второй материал должен хорошо отражать свет в области излучаемого спектра. Наряду с квантовым выходом, это наиболее важные условия увеличения эффективности светодиодов.