Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 10. Електричний струм у напівпровідниках

Відрізнити напівпровідники від провідників можна за характером залежності електропровідності від температури. Вимірювання під час дослідів показують, що в таких елементах, як Силіцій (Si), Германій (Ge), Селен (Se) тощо, і їхніх сполуках (PbS, CdS тощо) питомий опір з підвищенням температури не збільшується, як у металів (мал. 1.43), а, навпаки, різко зменшується (мал. 1.44). Такі речовини і називають напівпровідниками.

Мал. 1.43

Мал. 1.44

З графіка на малюнку 1.44 видно, що за температур, які наближаються до абсолютного нуля, питомий опір напівпровідників дуже великий. Це означає, що за низьких температур напівпровідник є фактично діелектриком. З підвищенням температури питомий опір швидко зменшується. У чому ж причина цього явища?

Щоб зрозуміти механізм виникнення провідності в напівпровідниках, слід розглянути будову напівпровідникових кристалів і природу зв’язків, що утримують атоми кристала один біля одного. Як приклад розглянемо кристал Силіцію.

Силіцій — чотиривалентний елемент. Це означає, що в зовнішній оболонці атома є 4 електрони, які порівняно слабко зв’язані з ядром. Кожний атом Силіцію має чотирьох найближчих сусідів. Схему структури кристала Силіцію зображено на малюнку 1.45.

Мал. 1.45

Між парою сусідніх атомів існує так званий парноелектронний, або ковалентний, зв’язок. В утворенні цього зв’язку бере участь один валентний електрон від кожного атома, що відірвався від нього (колективізувався кристалом) і рухається у просторі між сусідніми атомами. Негативний заряд цих електронів утримує позитивні йони Силіцію один біля одного.

Не слід вважати, що колективізована пара електронів належить двом атомам. Кожний атом утворює 4 зв’язки із сусідніми, і будь-який валентний електрон може рухатися по одному з атомів. Дійшовши до сусіднього атома, він може перейти до наступного і так переміщуватися уздовж усього кристала. Колективізовані валентні електрони належать усьому кристалу.

Парноелектронні зв’язки Силіцію досить міцні й за низьких температур не розриваються. Тому Силіцій за низької температури не проводить електричний струм. Валентні електрони, що беруть участь у зв’язку атомів, міцно прив’язані до кристалічної ґратки, і зовнішнє електричне поле помітно не впливає на їхній рух. Аналогічну будову має кристал Германію.

Від нагрівання Силіцію кінетична енергія валентних електронів збільшується і окремі зв’язки розриваються. Деякі електрони залишають свої «уторовані шляхи» і стають вільними, подібно до електронів у металі. В електричному полі вони переміщаються між вузлами ґратки, утворюючи електричний струм (мал. 1.46).

Мал. 1.46

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

З підвищенням температури кількість розірваних зв’язків і, отже, вільних електронів збільшується. Під час нагрівання від 300 до 700 К кількість вільних носіїв заряду збільшується від 10¹⁷ до 10²⁴ м^-3. Це спричиняє зменшення опору.

Якщо розривається зв’язок, то утворюється вакантне місце, де не вистачає електрона. Його називають діркою. У дірці є надлишковий позитивний заряд порівняно з іншими нормальними зв’язками (мал. 1.46).

Положення дірки в кристалі не є незмінним. Такий процес відбувається безперервно. Один з електронів, що забезпечує зв’язок атомів, займає місце дірки і відновлює тут парноелектронний зв’язок. При цьому в місці, звідки перескочив електрон, утворюється нова дірка. Отже, дірка може переміщуватися в кристалі.

На малюнку 1.47 зображено механізм електронної і діркової провідності. За відсутності зовнішнього поля є один вільний електрон (-) і одна дірка (+) (мал. 1.47, а). При накладанні поля відбувається переміщення електронів. Вільний електрон прямує проти напрямку напруженості поля. У цьому самому напрямку переміщується також один із зв’язаних електронів (мал. 1.47, б). Це виглядає як перехід дірки в напрямку поля (мал. 1.47, в).

Мал. 1.47

Якщо напруженість електричного поля в зразку дорівнює нулю, то переміщення дірок, рівноцінне переміщенню позитивних зарядів, відбувається хаотично і тому не створює електричний струм. За наявності електричного поля виникає впорядкований перехід дірок, і до електричного струму вільних електронів додається електричний струм, зумовлений переходом дірок. Напрямок руху дірок протилежний напрямку руху електронів.

Отже, у напівпровідниках є носії зарядів двох типів: електрони й дірки.

Напівпровідники мають не тільки електронну, а й діркову провідність.

Ми розглянули механізм провідності ідеальних напівпровідників, що не мають ніяких домішок.

Провідність напівпровідників, які не мають домішок, називають власною провідністю напівпровідників.

Власна провідність напівпровідників зазвичай невелика, оскільки в них мало вільних електронів (наприклад, у Германію за кімнатної температури n_e = 3 · 10¹³ см^-3). Водночас кількість атомів у 1 см³ Германію — близько 10²³. Отже, кількість вільних електронів становить приблизно одну десятимільярдну частку від загальної кількості атомів. Власна провідність напівпровідників багато в чому подібна до провідності водних розчинів і розплавів електролітів. В обох випадках кількість вільних носіїв заряду збільшується зі збільшенням інтенсивності теплового руху. Тому і в напівпровідників, і у водних розчинів або розплавів електролітів провідність збільшується зі збільшенням температури.

Істотна особливість напівпровідників полягає в тому, що в них за наявності домішок крім власної провідності виникає додаткова — домішкова провідність. Змінюючи концентрацію домішки, можна змінювати кількість носіїв заряду того чи іншого знака. Завдяки цьому створюються напівпровідники з переважною концентрацією або негативно, або позитивно заряджених носіїв.

Виявляється, що коли є домішки, наприклад атомів Арсену, навіть якщо їхня концентрація дуже мала, то кількість вільних електронів зростає в багато разів. Відбувається це з такої причини. Атоми Арсену мають 5 валентних електронів, 4 з них беруть участь у створенні хімічного (ковалентного) зв’язку цього атома з навколишніми атомами, наприклад з атомами Силіцію. П’ятий валентний електрон виявляється слабкозв’язаний з атомом. Він легко залишає атом Арсену і стає вільний (мал. 1.48).

Мал. 1.48

Під час додавання однієї десятимільйонної частки атомів Арсену концентрація вільних електронів дорівнюватиме 10¹⁶ см^-3. Це в тисячу разів більше за концентрацію вільних електронів у чистому напівпровіднику.

Домішки, які легко віддають електрони і, отже, збільшують кількість вільних електронів, називають донорними домішками.

Оскільки в напівпровідників з донорною домішкою багато електронів (порівняно з кількістю дірок), їх називають напівпровідниками n-типу (від лат. negativ — «негативний»).

У напівпровіднику n-типу електрони — основні носії заряду, а дірки — неосновні.

Якщо як домішку використати Індій, атоми якого тривалентні, то характер провідності напівпровідника зміниться. Тепер для встановлення нормальних парноелектронних зв’язків із сусідами атома Індію не вистачає електрона. Унаслідок цього утворюється дірка. Кількість дірок у кристалі дорівнюватиме кількості атомів домішки (мал. 1.49). Такі домішки називають акцепторними.

Мал. 1.49

Якщо існує електричне поле, то дірки переміщуються по полю і виникає діркова провідність.

Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу (з лат. positiv — «позитивний»).

У напівпровіднику p-типу дірки — основні носії заряду, а електрони — неосновні.

Будемо розглядати напівпровідник (мал. 1.50), права частина якого містить донорні домішки, у цьому випадку він є напівпровідником n-типу, а ліва — акцепторні домішки, тоді він є напівпровідником p-типу.

Мал. 1.50

Контакт двох напівпровідників називають р-n-переходом.

При утворенні контакту електрони частково переходять з напівпровідника n-типу в напівпровідник p-типу, а дірки — у зворотному напрямку. Відбувається процес дифузії, такий самий, як і під час зіткнення двох різних газів, молекули яких переміщуються внаслідок теплового руху. Отже, напівпровідник n-типу заряджається позитивно, а p-типу — негативно. Дифузія припиняється після того, як електричне поле, що виникає в зоні переходу, перешкоджає подальшому переміщенню електронів і дірок.

Увімкнемо напівпровідник з p-n-переходом в електричне коло (мал. 1.51). Спочатку приєднаємо батарею так, щоб потенціал напівпровідника p-типу був позитивний, а n-типу — негативний. При цьому струм через p-n-перехід передаватиметься основними носіями: з ділянки n у ділянку p електронами, а з ділянки p у ділянку n дірками (мал. 1.52). Унаслідок цього провідність усього зразка буде великою, а опір — малим.

Мал. 1.51

Мал. 1.52

Розглянутий перехід називають прямим. Залежність сили струму від різниці потенціалів — вольт-амперну характеристику прямого переходу — зображено на малюнку 1.53 суцільною лінією.

Мал. 1.53

Перемкнемо полюси батареї. У цьому разі за такої самої різниці потенціалів сила струму в колі буде значно меншою, ніж при прямому переході. Це зумовлено тим, що електрони через контакт переходять з ділянки р у ділянку n, а дірки — з ділянки n у ділянку р. Проте у напівпровіднику р-типу мало вільних електронів, а в напівпровіднику n-типу мало дірок. Отже, через контакт переходять не основні носії, а їхня незначна кількість (мал. 1.54).

Мал. 1.54

Унаслідок цього провідність зразка буде малою, а опір — великим. Утворюється так званий запірний шар. Цей перехід називають зворотним. Вольт-амперну характеристику зворотного переходу зображено на малюнку 1.53 штриховою лінією.

Цю властивість р-n-переходу використовують для випрямлення змінного струму. Протягом половини періоду, коли потенціал напівпровідника р-типу додатний, струм вільно проходить через р-n-перехід. У наступну половину періоду струм практично дорівнює нулю.

Відомо, що в електронній лампі носії заряду — електрони — виникають унаслідок термоелектронної емісії. Це потребує спеціального джерела електричної енергії для розжарення нитки катода. У р-n-переході носії заряду утворюються тоді, коли у кристал уводять акцепторну або донорну домішку. Отже, відпадає потреба використовувати джерело енергії для одержання вільних носіїв заряду. У складних схемах зекономлена внаслідок цього енергія буває досить значною.

У напівпровідниках електричний опір значною мірою залежить від температури. Цю властивість використовують для вимірювання температури за силою струму в колі з напівпровідником. Такі прилади називають термісторами або терморезисторами.

Термістори — одні з найпростіших напівпровідникових приладів. Їх виготовляють з германію, селену тощо. Термістори випускають у вигляді стержнів, трубок, дисків, шайб і намистин розміром від кількох мікрометрів до кількох сантиметрів.

Діапазон вимірюваних температур більшості термісторів лежить у межах від 170 до 570 К. Проте є термістори для вимірювання дуже високих (до 1300 К) і дуже низьких (від 4 до 80 К) температур.

Термістори застосовують для дистанційного вимірювання температури, протипожежної сигналізації тощо.

Електрична провідність напівпровідників підвищується не тільки від їхнього нагрівання, а й від їхнього освітлення. При освітленні напівпровідника сила струму в колі помітно збільшується, що свідчить про збільшення провідності (зменшення опору) напівпровідників під дією світла. Цей ефект не пов’язаний з нагріванням, оскільки він може спостерігатися і за незмінної температури.

Електрична провідність збільшується внаслідок розривання зв’язків та утворення вільних електронів і дірок за рахунок енергії світла, що падає на напівпровідник. Це явище називають фотоелектричним ефектом. Прилади, у яких використовують фотоелектричний ефект у напівпровідниках, називають фоторезисторами або фотоопорами. Завдяки мініатюрності й високій чутливості фоторезистори використовують у найрізноманітніших галузях техніки для реєстрації і вимірювання слабких світлових потоків. За допомогою фоторезисторів визначають якість поверхонь, контролюють розміри виробів тощо.

Сьогодні швидкими темпами розвиваються напівпровідникові технології виробництва мікросхем. Це наукова розробка та втілення в «кремнії» щораз швидших і менших транзисторів, схем зв’язку між ними та іншим «обрамленням» мікроструктур на кристалі, створення технологій виготовлення малюнка ліній і транзисторів на поверхні кремнію, нових матеріалів та устаткування для цього, а також галузь знань про те, як виробляти мікросхеми вищої якості, швидші, з більшою кількістю придатних кристалів на пластині, меншим числом дефектів і розміщенням робочих параметрів.

Більшість компонентів звичайної електроніки так само застосовуються і в мікроелектроніці: резистори, конденсатори, котушки індуктивності, діоди, транзистори, ізолятори і провідники, але вже у вигляді мініатюрних пристроїв в інтегральному виконанні. Цифрові інтегральні мікросхеми в основному складаються з транзисторів. Аналогові схеми в основному містять резистори та конденсатори. Котушки індуктивності використовуються в схемах, що працюють на високих частотах.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Які речовини належать до напівпровідників?
• 2. Опишіть будову напівпровідників. Назвіть їхні основні властивості.
• 3. Що називають електронною провідністю? Дірковою провідністю?
• 4. Опишіть механізм електронної і діркової провідності.
• 5. Які рухомі носії зарядів є в чистому напівпровіднику?
• 6. Що відбувається під час зустрічі електрона з діркою?
• 7. Чому опір напівпровідника значно залежить від наявності домішок?
• 8. Яку домішку — донорну чи акцепторну — треба ввести, щоб отримати напівпровідник n-типу?
• 9. Які носії заряду є основними, а які — неосновними в напівпровіднику з акцепторною домішкою?
• 10. Що таке р-n-перехід?
• 11. Що таке напівпровідниковий діод? Яка його будова?
• 12. Які види напівпровідників ви знаєте? Де вони застосовуються?