Рассмотрим подробнее, как образуются подвижные носители заря­дов в чистых полупроводниках на примере германия и кремния. У атомов этих элементов на внешней оболочке имеется по четыре валентных электрона. В твердом состоянии эти вещества имеют кристаллическую решетку типа алмаза, в которой каждый атом имеет четыре ближайших соседа. Связь между соседними атомами в такой решетке ковалентная, т. е. два соседних атома объединяют два своих валентных электрона (по одному от каждого атома), которые образуют электронную пару. Ковалентная связь атомов германия или кремния схематически показана на рис. 21.2, где пространственная решетка условно изображена плоской.

При низкой температуре все электроны полупроводника связаны с атомами. В таком кристалле нет свободных носителей зарядов, и он является изолятором. Если постепенно повышать температуру такого кристалла, то отдельные электроны могут получить избыточную энергию (за счет энергии хаотического движения), которой оказывается достаточно для их отрыва от атома. Появление таких электронов и создает проводимость кристалла полупроводника.

При комнатной температуре в кристаллах германия и кремния уже имеются свободные электроны. Энергия, нужная для отрыва электронов от атомов, в германии меньше, чем в кремнии. Таким образом, при одной и той же температуре удельное сопротивление германия значительно меньше, чем кремния (при 20°Cp_Ge=0.6 Ом*м, ap_SI=2*10³ Ом*м).

При переходе электрона в свободное состояние в оболочке атома полупроводника остается свободное место, которое принято называть дыркой. Поскольку до отрыва электрона атом был нейтрален, то после отрыва он приобретает положительный заряд, который приписывают дырке. Так как соседние атомы полупроводника непрерывно обмениваются электронами, то дырку у атома может заполнить электрон другого атома, у которого в свою очередь появляется дырка.

Таким образом, дырки, обладающие положительным зарядом, совершают в полупроводнике такое же хаотическое движение, как и свободные электроны. Поэтому дырки в полупроводнике условно считают подвижными носителями зарядов. Действительно, если при отсутствии электрического поля в полупроводнике дырки движутся хаотически, то при наложении внешнего поля они движутся преимущественно по направлению этого поля, т. е. создают электрический ток.

Итак, нагревание полупроводника ведет к образованию, или к генерации, пар подвижных носителей зарядов «электрон — дырка». Когда свободные электроны и дырки совершают хаотическое движение в полупроводнике, то они могут встретиться. Тогда свободный электрон заполняет вакантное место в оболочке атома, т. е. в полупроводнике исчезают сразу два свободных носителя зарядов — происходит рекомбинация пары «электрон дырка». Длина пробега свободного электрона или дырки с момента их возникновения до исчезновения очень мала (около 0,1 мм).

Когда температура полупроводника постоянна, между генерацией и рекомбинацией пар «электрон — дырка» существует подвижное равновесие. При этом в полупроводнике имеется определенное число подвижных носителей зарядов. (Объясните, почему при повышении температуры количество подвижных носителей зарядов, одновременно существующих в полупроводнике, увеличивается, а сопротивление чистого полупроводника уменьшается.)

Отметим, что в чистом полупроводнике всегда имеется поровну свободных электронов и дырок. Поэтому проводимость чистых полупроводников наполовину дырочная и наполовину электронная. Такую проводимость принято называть собственной проводимостью полупроводников.

Итак, если чистый полупроводник включить в цепь, то в нем потечет ток. При этом свободные электроны будут двигаться от отрицательного полюса к положительному, а дырки — в обратную сторону.

Поскольку температурный коэффициент сопротивления полупроводников во много раз больше, чем у металлов, и имеет отрицательный знак, собственную проводимость полупроводников можно использовать для устройства приспособлений, замыкающих цепь при недопустимом повышении температуры в автоматических устройствах. Полупроводник, сопротивление которого при нормальных условиях велико, включается в сигнальную цепь со звонком пли в цепь, управляющую подачей тока. Когда температура недопустимо повышается, сопротивление полупроводника падает и в сигнальной цепи появляется ток, приводящий в действие звонок, или же прекращается подача тока, вызвавшего перегрев. Такие полупроводниковые приборы называются термисторами. Так как термисторы малы по размерам, то с их помощью можно обнаруживать или измерять изменения температуры в каком-либо малом пространстве.