Фізика. Рівень стандарту. 11 клас. Бар’яхтар

§ 9. Електричний струм у напівпровідниках

Кожен із вас добре знає, як виглядає звичайна лампа розжарювання. Приблизно такий самий розмір мають і вакуумні лампи — діоди і тріоди. А тепер уявіть, що у вашому смартфоні, мікросхема процесора якого містить кілька мільярдів мікротранзисторів, замість транзисторів використали тріоди... Уявили собі розмір такого смартфона? Кілька багатоповерхових будинків! Тепер ви розумієте, чому поява в 1960-х рр. напівпровідникових пристроїв спричинила справжню технічну революцію. Про напівпровідникові пристрої та електричний струм у напівпровідниках ітиметься в цьому параграфі.

1. Якими є особливості провідності напівпровідників

Напівпровідники, як це випливає з їхньої назви, за своєю провідністю посідають проміжне місце між провідниками і діелектриками (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Порядок питомого опору матеріалів. Стрілками показано напрямок збільшення концентрації вільних заряджених частинок (напрямок збільшення провідності)

У ході вивчення залежності провідності напівпровідників від зовнішніх чинників виявилось:

  • 1) на відміну від металевих провідників питомий опір напівпровідників зазвичай зменшується з підвищенням температури (рис. 9.2);
  • 2) питомий опір більшості напівпровідників зменшується зі збільшенням освітленості;
  • 3) різко зменшити питомий опір напівпровідників може введення домішок.

Рис. 9.2. Графік залежності питомого опору ρ напівпровідників від температури Т

Саме ці властивості забезпечили широке застосування напівпровідників.

2. Власна провідність напівпровідників

Розглянемо будову чистих (без домішок) напівпровідників на прикладі силіцію (рис. 9.3). У кристалі силіцію кожен атом Силіцію має чотири валентні електрони, які «відповідають» за зв’язок між сусідніми атомами: атом Силіцію ніби «позичає» своїм сусідам по одному валентному електрону; сусідні атоми, у свою чергу, «позичають» йому свої валентні електрони. У результаті між кожними двома атомами Силіцію утворюється електронна пара «для спільного користування». Такий зв’язок називають ковалентним.

Рис. 9.3. Схематичне зображення ковалентного зв'язку силіцію

Серед валентних електронів обов’язково є електрони, кінетична енергія яких є достатньою, щоб покинути зв’язки і стати вільними. Один такий електрон показаний на жовтому полі рис. 9.3. Якщо напівпровідниковий кристал помістити в електричне поле, то вільні електрони почнуть рухатися до позитивного полюса джерела струму і в напівпровіднику виникне електричний струм.

Провідність напівпровідників, зумовлену наявністю в них вільних електронів, називають електронною провідністю.

Ще раз звернемося до рис. 9.3. Після того як електрон «залишив» валентний зв’язок, його місце виявиться «порожнім» — таке місце фізики називають діркою. Зрозуміло, що дірці приписують позитивний заряд. На вакантне місце (в дірку) може «перестрибнути» електрон від сусіднього зв’язку. Тоді дірка з’явиться біля сусіднього атома. Послідовність таких «стрибків» виглядає так, ніби дірка (позитивний заряд) переміщується в кристалі (рис. 9.4).

Рис. 9.4. Механізм діркової провідності напівпровідників

Провідність напівпровідників, зумовлену переміщенням дірок, називають дірковою провідністю.

У чистому напівпровіднику електричний струм створює однакова кількість вільних електронів і дірок. Таку провідність називають власною провідністю напівпровідників.

Якщо напівпровідник нагріти або опромінити світлом, кількість вільних електронів і дірок збільшиться, відповідно збільшиться і провідність напівпровідника.

На залежності провідності напівпровідників від температури ґрунтується дія термісторів (рис. 9.5, а), які застосовують для контролю та вимірювання температури, а також у колах захисту електричних пристроїв від перегріву.

На залежності провідності напівпровідників від освітленості ґрунтується дія фоторезисторів (рис. 9.5, б), які застосовують для вимірювання освітленості, у системах сигналізації та автоматики, для сортування виробів тощо. За допомогою фоторезисторів запобігають нещасним випадкам і аваріям, автоматично зупиняючи роботу обладнання в разі порушення процесу.

Рис. 9.5. Вигляд і схематичне позначення: термісторів — напівпровідникових терморезисторів (а); фоторезисторів (б)

Як, на вашу думку, працює фоторезистор у пристрої для аварійного вимкнення (або ввімкнення) електричного кола? Де б ви застосували такий пристрій?

3. Чому на провідність напівпровідників впливають домішки

Якщо до чистого напівпровідника додати невелику кількість певної домішки, то механізм його провідності зміниться. Це легко простежити на прикладі силіцію з невеликою кількістю домішки більшої або меншої валентності (Силіцій є чотиривалентним елементом).

4. Як утворюється р-n-перехід

Електронно-дірковий перехід (р-n-перехід) — це ділянка контакту двох напівпровідників із різними типами провідності — дірковою (напівпровідник p-типу) та електронною (напівпровідник n-типу).

Розглянемо процеси, які відбуваються в місці контакту. Відразу після того як відбувся контакт двох напівпровідників із різними типами провідності, починається процес дифузії електронів і дірок. Електрони дифундують у напівпровідник р-типу, і деякі з них рекомбінують із дірками; дірки «дифундують» у напівпровідник n-типу, і деякі з них рекомбінують із вільними електронами. Тобто відбуваються процеси відновлення зв’язків (рис. 9.6, а). Унаслідок цих процесів:

  • 1) у прилеглих до місця контакту ділянках напівпровідників зменшується концентрація вільних носіїв струму (n-ділянка втрачає вільні електрони, p-ділянка — дірки), тому опір ділянки біля місця контакту істотно збільшується;
  • 2) прилегла до місця контакту n-ділянка набуває позитивного заряду; прилегла до місця контакту p-ділянка набуває негативного заряду.

Рис. 9.6. Формування р-n-переходу

Отримання кристалів із р-n-переходом

Щоб отримати р-n-перехід, у напівпровідниковому кристалі слід утворити дві контактні ділянки з різними типами провідності.

Сплавний метод. На пластинку монокристала з донорною домішкою, наприклад на германій (n-Ge), кладуть шматочок індію і нагрівають до 500 °С. Сплавлюючись, германій та індій утворюють тонкий шар напівпровідника p-типу (p-Ge).

Дифузний метод. Кристал з акцепторною домішкою, наприклад силіцій (p-Si), нагрівають до температури близько 700 °С і спрямовують на його поверхню випари арсену. Атоми Арсену, дифундуючи в поверхневий шар кристалу, утворюють напівпровідник n-типу (n-Si).

5. Чому напівпровідниковий діод має однобічну провідність

Напівпровідниковий пристрій, у внутрішній будові якого сформований один p-n-перехід, називають напівпровідниковим діодом.

Будь-який напівпровідниковий діод складається з двох контактних напівпровідникових ділянок із різними типами провідності — електронною (n-ділянка) і дірковою (р-ділянка); до кожної ділянки приєднано виводи. Основна властивість напівпровідникового діода — пропускати електричний струм переважно в одному напрямку. З’ясуємо, чому р-n-перехід має однобічну провідність.

Оскільки напівпровідникові діоди пропускають електричний струм переважно в одному напрямку, їх, як і лампові (вакуумні) діоди, використовують для випрямлення змінного струму. Напівпровідникові діоди мають низку переваг перед ламповими: вони мініатюрні, їх легше виготовити, а отже, вони дешевші; для їх роботи не потрібно витрачати енергію на нагрівання. Тому в сучасній радіоелектроніці використовують саме напівпровідникові діоди.

Підбиваємо підсумки

• Провідність напівпровідників зумовлена рухом вільних і зв’язаних електронів (електронна і діркова провідності). У чистому напівпровіднику електричний струм створюється однаковою кількістю вільних електронів і дірок. Таку провідність називають власною провідністю напівпровідників.

• У разі введення в чистий напівпровідник домішки з більшою валентністю (донорної домішки) вільних електронів стає в багато разів більше, ніж дірок. Напівпровідники з переважно електронною провідністю називають напівпровідниками n-типу.

• У разі введення в чистий напівпровідник домішки з меншою валентністю (акцепторної домішки) дірок стає в багато разів більше, ніж вільних електронів. Напівпровідники з переважно дірковою провідністю називають напівпровідниками р-типу.

• Якщо напівпровідник містить дві дотичні ділянки з різними типами провідності, то на межі дотику утворюється р-n-перехід, який має однобічну провідність. Пристрій, у внутрішній будові якого сформований один р-n-перехід, називають напівпровідниковим діодом.

Контрольні запитання

1. Якими є основні властивості напівпровідників? 2. Поясніть механізм власної провідності напівпровідників. 3. Як зміниться опір чистого напівпровідника, якщо додати домішку? 4. Яку домішку називають донорною? 5. Яку домішку потрібно ввести, щоб одержати напівпровідник р-типу? 6. Як можна виготовити кристал із електронно-дірковим переходом? 7. Чому напівпровідниковий кристал із р-n-переходом має однобічну провідність? 8. Що таке напівпровідниковий діод? Наведіть його позначення на електричній схемі.

Вправа № 9

1. Які з наведених тверджень є істинними?

  • А Напівпровідник з акцепторною домішкою є напівпровідником р-типу.
  • Б Провідність напівпровідників збільшується зі збільшенням освітленості.
  • В Опір р-n-переходу залежить від напрямку струму.

2. На рис. 1 наведено схему прямого ввімкнення напівпровідника з p-n-переходом у коло постійного струму. Якою є полярність підключення джерела струму до клем А і В?

Рис. 1

3. Електричне коло (рис. 2) складається з п’яти однакових резисторів опором 2 Ом, двох ідеальних діодів та ідеального джерела струму (опори діодів і джерела струму дорівнюють нулю). Визначте: 1) загальний опір кола; 2) відношення сили струму в колі до сили струму після зміни полярності підключення джерела струму.

Рис. 2

4. Електрична схема, зображена на рис. 3, має назву діодний міст. Дізнайтесь, як «працює» ця схема і для чого вона призначена.

Рис. 3