§ 37. Электрычны ток у паўправадніках. Уласная і прымесная праводнасці паўправаднікоў
| Сайт: | Профильное обучение |
| Курс: | Фізіка. 10 клас |
| Книга: | § 37. Электрычны ток у паўправадніках. Уласная і прымесная праводнасці паўправаднікоў |
| Напечатано:: | Гость |
| Дата: | Вторник, 30 Апрель 2024, 04:08 |
Паўправаднікі — вялікі клас як неарганічных, так і арганічных рэчываў у цвёрдым або вадкім стане. Паўправаднікі валодаюць шматлікімі выдатнымі ўласцівасцямі, дзякуючы якім яны знайшлі шырокае прымяненне ў розных галінах навукі і тэхнікі. Якія асаблівасці будовы паўправаднікоў?
Залежнасць супраціўлення паўправаднікоў ад тэмпературы і асветленасці. Удзельнае супраціўленне паўправаднікоў знаходзіцца ў межах ад 10–6 да 108 Ом·м (пры Т = 300 К), гэта значыць яно ў шмат разоў меншае, чым у дыэлектрыкаў, але істотна большае, чым у металаў. У адрозненне ад праваднікоў удзельнае супраціўленне паўправаднікоў істотна змяншаецца пры павелічэнні тэмпературы, а таксама змяняецца пры змене асвятлення і ўвядзенні параўнальна невялікай колькасці прымесей. Да паўправаднікоў адносяць шэраг хімічных элементаў (бор, вуглярод, крэмній, германій, фосфар, мыш’як, сурму, серу, селен, тэлур і інш.), мноства аксідаў і сульфідаў металаў, а таксама іншых хімічных злучэнняў.
Вывучыць уласцівасці паўправаднікоў можна шляхам доследаў. Збяром электрычны ланцуг, які складаецца з крыніцы току, паўправадніка і міліамперметра (мал. 215). З доследу вынікае, што пры награванні паўправадніка сіла току ў ланцугу ўзрастае. Узрастанне сілы току абумоўлена тым, што пры павелічэнні тэмпературы супраціўленне паўправадніка памяншаецца.
Правядзём яшчэ адзін дослед. Змяняючы асветленасць паверхні паўправадніка, будзем назіраць змяненне паказанняў мілі амперметра (мал. 216). Вынікі назіран няў сведчаць пра тое, што пры асвятленні паверхні паўправадніка яго супра ціўленне памяншаецца.
Такім чынам, зменшыць супраціўленне паўправадніка можна, або награваючы яго, або ўздзейнічаючы электрамагнітным выпраменьваннем, напрыклад асвятляючы яго паверхню.
Прырода электрычнага току ў паўправадніках. Эксперыментальна ўстаноўлена, што пры праходжанні электрычнага току ў паўправадніках, як і ў металах, ніякіх хімічных змяненняў не адбываецца, гэта значыць перанос зараду пры праходжанні току не суправаджаецца пераносам рэчывы. Гэта сведчыць пра тое, што свабоднымі носьбітамі электрычнага зараду ў паўправадніках, як і ў металах, з’яўляюцца электроны.
Разгледзім механізм праводнасці паўправаднікоў на прыкладзе крышталя германію Ge, валентнасць атамаў якога роўная чатыром.
Атамы германію на знешняй абалонцы маюць чатыры валентныя электроны, параўнальна слаба звязаныя з ядром. Пры гэтым кожны атам крышталя звязаны з чатырма суседнімі атамамі кавалентнымі сувязямі. Два суседнія атамы аб’ядноўваюць два свае валентныя электроны (па адным ад кожнага атама), якія ўтвараюць электронную пару. Таму ўсе валентныя электроны атама германію ўдзельнічаюць ва ўтварэнні кавалентных сувязей. На малюнку 217 паказана плоская схема прасторавай рашоткі крышталя германію. Пры тэмпературы, блізкай да абсалютнага нуля, кавалентныя сувязі германію дастаткова трывалыя, таму свабодныя электроны адсутнічаюць і германій з’яўляецца дыэлектрыкам.
Для таго каб разарваць кавалентную сувязь і зрабіць электрон свабодным, крышталю германію неабходна перадаць некаторую энергію, напрыклад награваючы крышталь або апраменьваючы яго паверхню. Пры гэтым частка электронаў атрымлівае энергію, дастатковую для таго, каб пакінуць атамы і стаць свабоднымі.
Нейтральны атам, якому належаў вызвалены электрон, становіцца дадатна зараджаным іонам, а ў кавалентных сувязях утвараецца вакантнае месца з адсутным электронам. Яго называюць дзіркай (мал. 218).
Адначасова з працэсам узнікнення свабодных электронаў і дзірак адбываецца працэс, пры якім адзін з электронаў (не свабодны, а той, што забяспечвае кавалентную сувязь) пераскоквае на месца ўтворанай дзіркі і аднаўляе кавалентную сувязь. Пры гэтым становішча дзіркі мяняецца, што можна мадэляваць як яе перамяшчэнне. Такім чынам, пры адсутнасці знешняга электрычнага поля ў крышталі паўправадніка назіраецца хаатычнае перамяшчэнне свабодных электронаў і дзірак, канцэнтрацыі якіх у чыстым паўправадніку аднолькавыя.
Цікава ведаць
Дзірачная праводнасць абумоўлена «эстафетным» перамяшчэннем па вакансіях ад аднаго атама крышталя паўправадніка да другога электронаў, якія ажыццяўляюць кавалентную сувязь. Дзірак як дадатных зарадаў, якія існуюць рэальна, на самай справе няма. Тым не менш уяўленне пра іх з’яўляецца добрай фізічнай мадэллю, якая дае магчымасць разглядаць электрычны ток у паўправадніках на аснове законаў фізікі.
Дзіркі лічаць рухомымі носьбітамі дадатнага зараду, модуль якога роўны модулю зараду электрона.
Пры наяўнасці знешняга электрычнага поля на хаатычны рух свабодных электронаў і дзірак накладваецца іх упарадкаваны рух, гэта значыць узнікае электрычны ток. Прычым рух свабодных электронаў адбываецца ў напрамку, супрацьлеглым напрамку напружанасці знешняга электрычнага поля, а рух дзірак супадае з напрамкам напружанасці
поля (мал. 219).
Праводнасць, абумоўленую рухам свабодных электронаў і дзірак у чыстым паўправадніку, называюць уласнай праводнасцю паўправадніка.
Пры наданні паўправадніку энергіі канцэнтрацыя свабодных электронаў, а значыць, і дзірак узрастае, бо павялічваецца колькасць разрываў кавалентных сувязей. Гэтым і тлумачыцца памяншэнне супраціўлення паўправадніка пры яго награванні і апраменьванні.
Прымесная праводнасць паўправаднікоў. Змяніць уласцівасці паўправаднікоў можна не толькі награваннем або ўздзеяннем электрамагнітнага выпраменьвання, але і дабаўленнем у чысты паўправаднік прымесей. Тады ў паўправадніку разам з уласнай праводнасцю ўзнікае прымесная праводнасць.
Праводнасць, абумоўленую наяўнасцю прымесей у паўправадніку, называюць прымеснай праводнасцю паўправадніка.
Разгледзім механізм гэтай праводнасці на прыкладзе крышталя германію Ge, які змяшчае прымесь атамаў мыш’яку As, валентнасць якіх роўная пяці.
Чатыры валентныя электроны атама мыш'яку ўтвараюць кавалентныя сувязі з суседнімі атамамі германію (мал. 220). Пятыя электроны атамаў мыш'яку не задзейнічаны ва ўтварэнні кавалентных сувязей і могуць свабодна перамяшчацца, амаль як электроны ў металічным правадніку. Праводнасць такога крышталя будзе пераважна электроннай. Дзіркі, якія ўтвараюца ў вышку разрыву асобных кавалентных сувязей паміж атамамі германію, з'яўляюцца неасноўнымi носьбітамі электрычнага зараду, бо іх канцэнтрацыя малая ў параўнанні з канцэнтрацыяй свабодных электронаў. Такія паўправаднікі называюць электроннымі паўправаднікамі або паўправаднікамі n-тыпу (ад лац. negativ — адмоўны).
Прымесі, якія пастаўляюць у паўправаднікі свабодныя электроны без узнікнення роўнай ім колькасці дзірак, называюць донарнымі (аддаючымі). Удзельнае супраціўленне паўправадніка з утрыманнем такіх прымесей рэзка памяншаецца і можа набліжацца да ўдзельнага супраціўлення металічнага правадніка.
Цяпер разгледзім механізм прымеснай праводнасці паўправадніка на прыкладзе крышталя германію Ge, які змяшчае прымесь атамаў індыю In, валентнасць якіх роўная тром.
Валентныя электроны атама індыю ўтвараюць кавалентныя сувязі толькі з трыма суседнімі атамамі германію (мал. 221). На ўтварэнне сувязі з чацвёртым атамам германію ў атама індыю электрона няма. Таму каля кожнага атама індыю адна з кавалентных сувязей будзе незапоўненая, гэта значыць узнікае дзірка. Электрон, якога не хапае, можа быць захоплены атамам індыю з кавалентнай сувязі суседніх атамаў германію. Тады дзірка ўтворыцца на тым месцы, дзе да гэтага знаходзіўся электрон.
У выніку ўвядзення такой прымесі ў крышталі разрываецца мноства кавалентных сувязей і ўтвараюцца дзіркі. Праводнасць такога крышталя будзе пераважна дзірачня. Свабодныя электроны, якія ўзнікаюць за кошт уласнай праводнасці паўправадніка, з'яўляюцца неасноўнымі носьбітамі электрычнага зараду, бо іх канцэнтрацыя малая ў параўнанні з канцэнтрацыяй дзірак. Такія паўправаднікі называюць дзірачнымі паўправаднікамі або паўправаднікамі p-тыпу (ад лац. рositivus — дадатны).
Прымесі, наяўнасць якіх у паўправадніку прыводзіць да ўтварэння дзірак, не павялічваючы пры гэтым колькасці свабодных электронаў, называюць акцэптарнымі (прымаючымі). Удзельнае супраціўленне паўправаднікоў, якія змяшчаюць акцэптарныя прымесі, таксама рэзка змяншаецца.
Якой праводнасцю будзе валодаць германій пры ўвядзенні ў яго невялікай колькасці фосфару? галію? сурмы?
Тэхнічнае прымяненне паўправаднікоў. Прыборы, работа якіх заснавана на ўласцівасці паўправаднікоў змяняць сваё супраціўленне пры змяненні тэмпературы, называюць тэрмістарамі або тэрмарэзістарамі.
Тэрмарэзістары (мал. 222) выкарыстоўваюць для аховы тэлефонных станцый і ліній ад токавых перагрузак, для пускаахоўных рэле кампрэсараў халадзільнікаў, запальвання люмінесцэнтных лямпаў, падагрэву дызельнага паліва; у розных электранагравальных прыладах: награвальных рашотках цеплавентылятараў, сушылках для абутку.
Прыборы, работа якіх заснавана на ўласцівасці паўправаднікоў змяняць сваё супраціўленне пры змене асветленасці іх паверхні, называюць фотарэзістарамі або фотасупраціўленнямі (мал. 223). Іх выкарыстоўваюць для рэгістрацыі слабых патокаў святла, пры сартаванні і падліку гатовай прадукцыі, для кантролю якасці і гатоўнасці самых розных дэталей; у паліграфічнай прамысловасці для выяўлення абрываў папяровай стужкі, кантролю за колькасцю аркушаў паперы, якія падаюцца ў друкарскую машыну; у медыцыне, сельскай гаспадарцы і іншых галінах.
Шырокае прымяненне знаходзяць паўправадніковыя дыёды, якія з’яўляюцца асноўнымі элементамі выпрамнікоў пераменнага току і дэтэктараў электрамагнітных сігналаў. З дапамогай паўправадніковых дыёдаў можна ажыццявіць непасрэднае ператварэнне энергіі электрамагнітнага выпраменьвання ў электрычную энергію. Такія дыёды называюць фотадыёдамі (мал. 224).
У электрычных прыладах (схемах) выкарыстоўваюць транзістар — прыбор, прызначаны для ўзмацнення, генерацыі, пераўтварэння і камутацыі сігналаў у электрычных ланцугах.
Святловыпраменьваючы дыёд (святлодыёд) — гэта паўправадніковы прыбор, які пераўтварае электрычную энергію непасрэдна ў светлавое выпраменьванне. Ён уяўляе з сябе мініяцюрны паўправадніковы дыёд, змешчаны ў празрысты корпус (мал. 225). Выкарыстоўваючы святлодыёды, вырабляюць, напрыклад, святлодыёдныя свяцільнікі (мал. 226).
1. Для сартавання і падліку дэталей шырока прымяняюць фотарэзістары. Якой уласцівасцю паўправаднікоў можна растлумачыць дзеянне гэтага прыбора?
2. На малюнку 227 прыведзены графікі залежнасці сілы току ад напружання для тэрмарэзістара. Які з графікаў адпавядае найбольш нізкай тэмпературы тэрмарэзістара? Вызначце супраціўленне тэрмарэзістара пры найбольш высокай тэмпературы.
З гісторыі фізікі
У 2000 г. ураджэнцу Беларусі Жарэсу Іванавічу Алфёрававу (1930–2019) і разам з ім амерыканскім вучоным Герберту Крэмеру і Джэку Кілбі была прысуджана Нобелеўская прэмія па фізіцы за «даследаванне паўправадніковых гетэраструктур, лазерных дыёдаў і звышхуткіх транзістараў».
1. Якая будова паўправаднікоў (на прыкладзе крышталя германію)?
2. Якая прырода электрычнага току ў паўправадніках?
3. Растлумачце механізм уласнай праводнасці паўправаднікоў.
4. Як залежыць супраціўленне паўправаднікоў ад тэмпературы? ад асветленасці?
5. Што называюць прымеснай праводнасцю паўправаднікоў?
6. Пры якой умове ў прымесным паўправадніку ўзнікае электронная праводнасць? Прывядзіце прыклады.
7. Пры якой умове ў прымесным паўправадніку ўзнікае дзірачная праводнасць? Прывядзіце прыклады.
8. Прывядзіце прыклады выкарыстання паўправадніковых прыбораў.
9. Ці можа назірацца ў паўправаднікоў з'ява звышправоднасці? Чаму?
10. У чым адрозненне залежнасці электрычнай праводнасці металічных праваднікоў, паўправаднікоў і дыэлектрыкаў ад тэмпературы? Чым гэта тлумачыцца?
11. У якім выпадку паўправаднік можа праяўляць уласцівасці дыэлектрыка?
