§ 37. Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости полупроводников
| Сайт: | Профильное обучение |
| Курс: | Физика. 10 класс |
| Книга: | § 37. Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости полупроводников |
| Напечатано:: | Гость |
| Дата: | Четверг, 21 Ноябрь 2024, 12:10 |
Полупроводники — широкий класс как неорганических, так и органических веществ в твёрдом или жидком состоянии. Полупроводники обладают многими замечательными свойствами, благодаря которым они нашли широкое применение в различных областях науки и техники. Каковы особенности строения полупроводников?
Зависимость сопротивления полупроводников от температуры и освещённости. Удельное сопротивление полупроводников находится в пределах от 10–6 до 108 Ом · м (при Т = 300 К), т. е. во много раз меньше, чем у диэлектриков, но существенно больше, чем у металлов. В отличие от проводников удельное сопротивление полупроводников резко убывает при увеличении температуры, а также изменяется при изменении освещения и введении сравнительно небольшого количества примесей. К полупроводникам относят ряд химических элементов (бор, углерод, кремний, германий, фосфор, мышьяк, сурьма, сера, селен, теллур и др.), множество оксидов и сульфидов металлов, а также других химических соединений.
Изучить свойства полупроводников можно на опытах. Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, полупроводника и миллиамперметра (рис. 215). Из опыта следует, что при нагревании полупроводника сила тока в цепи возрастает. Возрастание силы тока обусловлено тем, что при увеличении температуры сопротивление полупроводника уменьшается.
Проведём ещё один опыт. Изменяя освещённость поверхности полупроводника, наблюдаем изменение показаний миллиамперметра (рис. 216). Результаты наблюдений означают, что при освещении поверхности полупроводника его сопротивление уменьшается.
Таким образом, уменьшить сопротивление полупроводника можно, либо нагревая его, либо воздействуя электромагнитным излучением, например освещая его поверхность.
Природа электрического тока в полупроводниках. Экспериментально установлено, что при прохождении электрического тока в полупроводниках, как и в металлах, никаких химических изменений не происходит, т. е. перенос заряда при прохождении тока не сопровождается переносом вещества. Это свидетельствует о том, что свободными носителями электрического заряда в полупроводниках, как и в металлах, являются электроны.
Рассмотрим механизм проводимости полупроводников на примере кристалла германия Ge, валентность атомов которого равна четырём.
Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре сравнительно слабо связанных с ядром валентных электрона. При этом каждый атом кристалла связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями. Два соседних атома объединяют два своих валентных электрона (по одному от каждого атома), которые образуют электронную пару. Поэтому все валентные электроны атома германия участвуют в образовании ковалентных связей. На рисунке 217 изображена плоская схема пространственной решётки кристалла германия. При температуре, близкой к абсолютному нулю, ковалентные связи германия достаточно прочны, поэтому свободные электроны отсутствуют и германий является диэлектриком.
Для того чтобы разорвать ковалентную связь и сделать электрон свободным, кристаллу германия необходимо сообщить некоторую энергию, например, нагревая кристалл или облучая его поверхность. При этом часть электронов получает энергию, достаточную для того, чтобы покинуть атомы и стать свободными.
Нейтральный атом, которому принадлежал освободившийся электрон, становится положительно заряженным ионом, а в ковалентных связях образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой (рис. 218).
Одновременно с процессом возникновения свободных электронов и дырок происходит процесс, при котором один из электронов (не свободный, а обеспечивающий ковалентную связь) перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает ковалентную связь. При этом положение дырки меняется, что можно моделировать как её перемещение. Таким образом, при отсутствии внешнего электрического поля в кристалле полупроводника наблюдается беспорядочное перемещение свободных электронов и дырок, концентрации которых в чистом полупроводнике одинаковые.
Интересно знать
Дырочная проводимость в действительности обусловлена «эстафетным» перемещением по вакансиям от одного атома кристалла полупроводника к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь. Дырок, как положительных зарядов, существующих реально, в действительности нет. Тем не менее, представление о них является хорошей физической моделью, которая дает возможность рассматривать электрический ток в полупроводниках на основе законов физики.
Дырки считают подвижными носителями положительного заряда, который равен модулю заряда электрона.
При наличии внешнего электрического поля на беспорядочное движение свободных электронов и дырок накладывается их упорядоченное движение, т. е. возникает электрический ток. Причём движение свободных электронов происходит в направлении, противоположном направлению напряжённости внешнего электрического поля, а движение дырок совпадает с направлением напряжённости
поля (рис. 219).
Проводимость, обусловленную движением свободных электронов и дырок в чистом полупроводнике, называют собственной проводимостью полупроводника.
При сообщении полупроводнику энергии концентрация свободных электронов, а следовательно, и дырок возрастает, так как увеличивается число разрывов ковалентных связей. Этим и объясняется уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании и облучении.
Примесная проводимость полупроводников. Изменить свойства полупроводников можно не только нагреванием или воздействием электромагнитного излучения, но и добавлением в чистый полупроводник примесей. Тогда в полупроводнике наряду с собственной проводимостью возникает примесная проводимость.
Проводимость, обусловленную наличием примесей в полупроводнике, называют примесной проводимостью полупроводника.
Рассмотрим механизм этой проводимости на примере кристалла германия Ge, содержащего примесь атомов мышьяка As, валентность которых равна пяти.
Четыре валентных электрона атома мышьяка образуют ковалентные связи с соседними атомами германия (рис. 220). Пятые электроны атомов мышьяка не задействованы в образовании ковалентных связей и могут свободно перемещаться, почти как электроны в металлическом проводнике. Проводимость такого кристалла будет преимущественно электронной. Дырки, образующиеся в результате разрыва отдельных ковалентных связей между атомами германия, являются неосновными носителями электрического заряда, так как их концентрация мала по сравнению с концентрацией свободных электронов. Такие полупроводники называют электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа (от лат. negativ ‒ отрицательный).
Примеси, поставляющие в полупроводники свободные электроны без возникновения равного им количества дырок, называют донорными (отдающими). Удельное сопротивление полупроводника с содержанием таких примесей резко уменьшается и может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.
Теперь рассмотрим механизм примесной проводимости полупроводника на примере кристалла германия Ge, содержащего примесь атомов индия In, валентность которых равна трем.
Валентные электроны атома индия образуют ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия (рис. 221). На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия электрона нет. Поэтому возле каждого атома индия одна из ковалентных связей будет незаполненной, т. е. возникает дырка. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. Но при этом дырка образуется на том месте, где до этого находился электрон.
В результате введения такой примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются дырки. Проводимость такого кристалла будет преимущественно дырочной. Свободные электроны, которые возникают за счет собственной проводимости полупроводника, являются неосновными носителями электрического заряда, так как их концентрация мала по сравнению с концентрацией дырок. Такие полупроводники называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа (от лат. positiv ‒ положительный).
Примеси, наличие которых в полупроводнике приводит к образованию дырок, не увеличивая при этом числа свободных электронов, называют акцепторными (принимающими). Удельное сопротивление полупроводников, содержащих акцепторные примеси, также резко уменьшается.
Какой проводимостью будет обладать германий при введении в него небольшого количества фосфора? галлия? сурьмы?
Техническое применение полупроводников. Приборы, работа которых основана на свойстве полупроводников изменять своё сопротивление при изменении температуры, называют термисторами или терморезисторами.
Терморезисторы (рис. 222) используют для защиты телефонных станций и линий от токовых перегрузок, для пускозащитных реле компрессоров холодильников, поджига люминесцентных ламп, подогрева дизельного топлива; в различных электронагревательных устройствах: нагревательных решётках тепловентиляторов, сушилках для обуви.
Приборы, работа которых основана на свойстве полупроводников изменять своё сопротивление при изменении освещённости их поверхности, называют фоторезисторами или фотосопротивлениями (рис. 223). Их используют для регистрации слабых потоков света, при сортировке и счёте готовой продукции, для контроля качества и готовности самых различных деталей; в полиграфической промышленности для обнаружения обрывов бумажной ленты, контроля количества листов бумаги, подаваемых в печатную машину; в медицине, сельском хозяйстве и других областях.
Широкое применение находят полупроводниковые диоды, которые являются основными элементами выпрямителей переменного тока и детекторов электромагнитных сигналов. С помощью полупроводниковых диодов можно осуществить непосредственное превращение энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию. Такие диоды называют фотодиодами (рис. 224).
В электрических устройствах (схемах) используют транзистор — прибор, предназначенный для усиления, генерации, преобразования и коммутации сигналов в электрических цепях.
Светоизлучающий диод (светодиод) — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию непосредственно в световое излучение. Он представляет собой миниатюрный полупроводниковый диод, помещённый в прозрачный корпус (рис. 225). Используя светодиоды, изготавливают, например, светодиодные светильники (рис. 226).
1. Для сортировки и счёта деталей широко применяют фоторезисторы. Каким свойством полупроводников можно объяснить действие этого прибора?
2. На рисунке 227 представлены графики зависимости силы тока от напряжения для терморезистора. Какой из графиков соответствует более низкой температуре терморезистора? Определите сопротивление терморезистора при более высокой температуре.
Из истории физики
В 2000 г. уроженцу Беларуси Жоресу Ивановичу Алфёрову (1930–2019) совместно с американскими учёными Гербертом Кремером и Джеком Килби была присуждена Нобелевская премия по физике за «исследование полупроводниковых гетероструктур, лазерных диодов и сверхбыстрых транзисторов».
1. Каково строение полупроводников (на примере кристалла германия)?
2. Какова природа электрического тока в полупроводниках?
3. Объясните механизм собственной проводимости полупроводников.
4. Как зависит сопротивление полупроводников от температуры? освещённости?
5. Может ли наблюдаться у полупроводников явление сверхпроводимости? Почему?
6. В чём отличие зависимости электрической проводимости металлических проводников, полупроводников и диэлектриков от температуры? Почему?
7. В каком случае полупроводник может проявлять свойства диэлектрика?
8. Как влияет на проводимость металлических проводников, полупроводников и диэлектриков наличие в них небольшого количества примесей?
9. Приведите примеры использования полупроводниковых приборов.
