Електричний струм в напівпровідниках

1. Залежність опору напівпровідників від температури

На минулому уроці ми розбирали особливості проходження струму через металеві провідники. Тепер же розглянемо такі матеріали як напівпровідники.

Визначення .Полупроводнікі - речовини, що займають проміжну позицію між провідниками і діелектриками.

Одним з визначальних відмінностей напівпровідників від провідників є залежність їх опору від температури. Як ми пам'ятаємо з попереднього уроку, при підвищенні температури опір металів зростає. Опір напівпровідників ж навпаки зменшується при підвищенні температури.

Мал. 1. Залежність від температури опорів провідників і напівпровідників

Як видно з графіків при низьких температурах опір напівпровідників прагнути до нескінченності і вони ведуть сіючи як діелектрики

2. Тип провідності напівпровідників

Напівпровідники в хімічній таблиці Менделєєва займають середнє положення (див. Рис. 2). Ми ж розглянемо будову напівпровідників на прикладі кремнію.

Мал. 2. Положення основних напівпровідників в таблиці Менделєєва

3. Вставка 1. Домішкова провідність

Додавання до напівпровідникових кристалів різних домішок може значно підвищити провідність цих напівпровідників. Існує два типи таких домішок: донорная і акцепторная. Розберемо їх докладніше

Якщо в кристалічну структуру кремнію додати кілька атомів пятивалентного миш'яку, то пов'язаними виявляться тільки чотири з його п'яти валентних електронів, п'ятий залишається вільним. Таким чином, до власної провідності кремнію додається фактор наявності надлишкової кількості вільних електронів (домішкових провідність). Такий напівпровідник називається напівпровідником n-типу (від англійського «negative»)

Мал. 3. Схема донорної домішки; провідність n-типу

Якщо ж до кристалу кремнію додати домішка тривалентного індію, то буде відсутність однієї зв'язку, на місці якої утворюється дірка. Таким чином, до власної провідності додати фактор наявності надлишкової кількості дірок. Такий напівпровідник називається напівпровідником p-типу (від англійського «positive»)

Мал. 4. Схема акцепторной домішки; провідність p-типу

У напівпровідникових приладах проте часто використовують не самі напівпровідники того чи іншого типу, а наведені в контакт кристали напівпровідників n- і p-типу.

Кремній займає місце в таблиці Менделєєва в четвертій групі, і це означає, що атом кремнію має чотири валентних електрони. Тепер якщо схематично зобразити цю структуру, то можна уявити окремо взятий атом кремнію і структуру речовини відповідно наступним чином:

Мал. 5. Атом кремнію і атомна структура кремнію відповідно

Тобто поблизу кожного ядра кремнію перебувати по 8 валентних електронів: 4 власних і 4 від сусідніх в решітці атомів. І при досить низьких температурах подібна будова не містить вільних зарядів, здатних направлено переміщатися, ініціюючи електричний струм.

При нагріванні ж деякі електрони внаслідок отримання додаткової кінетичної енергії будуть залишати свої позиції і переходити в міжатомна простір. Таким чином, перетворюються в електрони провідності. І тепер, переміщаючись упорядковано під дією електричного поля, вони можуть створювати електричний струм. Однак не тільки одні електрони є вільними зарядами. У тих місцях, які покинули електрони, утворюються області надлишкового позитивного заряду. І ці умовні позитивно заряджені частинки були названі «дірками». Таким чином, носіями вільних зарядів в напівпровідниках є електрони провідності і дірки.

4. Вставка 2. p-n перехід

Особливе значення в техніці має приведення в контакт напівпровідники різних проводимостей. Що ж станеться при такому контакті? Внаслідок дифузії зарядів почнеться проникнення електронів в p-напівпровідник, а дірок в n-напівпровідник. В результаті чого на кордоні утворюється так званий запірний шар, який своїм електричним полем перешкоджає подальшому обміну зарядами.

Мал. 6. Замикаючий шар при p-n переході

Для побудови вольтамперної характеристики n-p переходу була зібрана наступна схема (див. Рис. 7) завдяки якій можна як міняти полярність, так і величину напруги, що подається на p-n перехід.

Мал. 7. Схема для отримання характеристики і сама вольтамперная характеристика p-n переходу відповідно

При підключенні різниці потенціалів в зворотному напрямку, тобто + до n-напівпровідника, до p-напівпровідника, проходити через бар'єр зможуть лише неосновні носії заряду (дірки в n області і електрони в p області). Основні ж не зможуть подолати замикає поле, яке тепер буде ще посилюватися зовнішнім полем.

Мал. 8. p-n перехід при зворотному підключенні (Джерело)

Якщо ж зробити пряме підключення, то зовнішнє поле нейтралізує замикає, і струм буде відбуватися основними носіями заряду.

Мал. 9. p-n перехід при прямому підключенні (Джерело)

При цьому струм неосновних носіїв мізерно малий, його практично немає. Тому p-n перехід забезпечує односторонню провідність електричного струму.

Мал. 10. Атомна структура кремнію при збільшенні температури

Провідність напівпровідників є електронно-доречний, і така провідність називається власною провідністю. І на відміну від провідникових металів при збільшенні температури якраз збільшується кількість вільних зарядів (в першому випадку воно не змінюється), тому провідність напівпровідників зростає з ростом температури, а опір зменшується

Дуже важливим питанням у вивченні напівпровідників є наявність домішок в них. І в разі наявності домішок слід говорити вже про примесной провідності.

5. Вставка 3. Напівпровідникові прилади

Малі розміри і дуже велике якість пропускаються сигналів зробили напівпровідникові прилади дуже поширеними в сучасній електронній техніці. До складу таких приладів може входити не тільки вищезгаданий кремній з домішками, а й, наприклад германій.

Одним з таких приладів є діод - прилад, здатний пропускати струм в одному напрямку і перешкоджати його проходженню в іншому. Він виходить імплантацією в напівпровідниковий кристал p- або n-типу напівпровідника іншого типу.

Мал. 11. Позначення діода на схемі і схема його роботи відповідно

Іншим приладом, тепер уже з двома p-n переходами називається транзистор. Він служить не тільки для вибору напрямку пропускання струму, але і для його перетворення.

Мал. 12. Схема будови транзистора і його позначення на електричній схемі відповідно (Джерело)

Слід зазначити, що в сучасних мікросхемах використовуються безліч комбінацій діодів, транзисторів і інших електричних приладів.

На наступному уроці ми розглянемо поширення електричного струму у вакуумі.

Список рекомендованої літератури:

Рекомендовані посилання на ресурси інтернет:

1. У слідстві чого в напівпровіднику з'являються електрони провідності?
2. Що таке власна провідність напівпровідника?
3. Як залежить провідність напівпровідника від температури?
4. Чим відрізняється донорная домішка від акцепторной?
5. * Яку провідність має кремній з домішкою а) галію, б) індію, в) фосфору, г) сурми?