Фізика і астрономія. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 11. Електричний струм у напівпровідниках

Власна й домішкова провідності напівпровідників. Як відомо з курсу фізики 8 класу, до напівпровідників належать речовини, що за питомим опором займають проміжне місце між провідниками й ізоляторами (діелектриками). До напівпровідників належить значно більше речовин, ніж до провідників і діелектриків разом. Напівпровідниками є ряд хімічних елементів (Силіцій, Германій, Селен тощо) і деякі оксиди, сульфіди, телуриди.

Питомий опір напівпровідників з підвищенням температури не зростає, як у металів, а навпаки, різко зменшується. На малюнку 50 наведено залежності питомого опору від температури для напівпровідника (1) та для металу (2).

Мал. 50. Залежності питомого опору від температури для напівпровідника (1) та провідника (2)

Як видно з графіка, з наближенням до абсолютного нуля питомий опір напівпровідника різко зростає, тобто за низьких температур напівпровідник веде себе як діелектрик. Зі збільшенням температури питомий опір напівпровідників швидко зменшується за експоненціальним законом. Електропровідність напівпровідників залежить також від освітленості (фотопровідності) і від уведення в них атомів деяких інших елементів (домішок).

Пояснимо властивості напівпровідників, розглянувши їхню будову на прикладі чотиривалентного елемента Германію (мал. 51, а). Взаємодія пари сусідніх атомів у кристалі германію здійснюється завдяки ковалентному (парноелектронному) зв'язку (мал. 51, б).

Мал. 51. Схеми: а — будови атома Германію; б — парноелектронного зв'язку в кристалі германію; в — утворення пари електрон - дірка

У темряві та за низьких температур усі електрони задіяні в ковалентних зв'язках. Вільних носіїв у кристалі напівпровідника немає, тому кристал не проводить струм і його опір великий. За цих умов кристал є ізолятором. За підвищення температури кристала (або під дією опромінення світлом, рентгенівськими променями, або за впливу сильних електричних чи магнітних полів) деякі ковалентні зв'язки руйнуються. На місці кожного розірваного зв'язку утворюється вакантне місце з нестачею електрона (мал. 51, в). Така конфігурація називається діркою. Електрони й дірки рухаються хаотично. Електрони займають місця дірок (рекомбінують) або вивільняються, розриваючи парноелектронні зв'язки (генеруються вільні електрони й дірки). Процеси генерації та рекомбінації відбуваються безперервно.

Якщо такий кристал підключити до джерела струму, то вільні електрони будуть рухатись до позитивного полюса джерела. Поки діє електричне поле, розриваються міжатомні зв'язки — з них вивільняються валентні електрони, залишаючи дірки, а розірвані раніше міжатомні зв'язки (дірки) заповнюються електронами, що вивільнилися з інших міжатомних зв'язків. Виникає враження, що в напівпровіднику, крім руху електронів (n-провідність), існує рух позитивно заряджених частинок — дірок (р-провідність).

Провідність чистих напівпровідників, що не мають ніяких домішок, називають власною провідністю напівпровідників. Власна провідність напівпровідників невелика, оскільки малою є кількість вільних носіїв струму — електронів і дірок. Дуже важлива особливість напівпровідників полягає в тому, що за наявності домішок у них поряд із власною провідністю виникає додаткова — домішкова провідність. Домішки, що легко віддають електрони, а отже, збільшують кількість вільних електронів, називають донорними домішками. Напівпровідники, в яких електрони є основними носіями заряду, називають напівпровідниками n-типу. Домішки, що приймають електрони, називають акцепторними. Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу. Змінюючи концентрацію домішок, можна істотно змінити кількість носіїв заряду того чи того знака, а отже, створити напівпровідники з переважною концентрацією або позитивно, або негативно заряджених носіїв.

Електронно-дірковий перехід, його властивості й застосування. Цікаві явища спостерігаються в місці контакту напівпровідників n- і р-типів. Контакт таких двох напівпровідників називають р-n-переходом.

З'єднаємо два напівпровідники: один з донорною, а другий з акцепторною домішкою (мал. 52).

Мал. 52. Рух носіїв заряду в місці контакту напівпровідників n- і р-типів

Відразу ж почнеться рух через контакт: електрони переходитимуть з напівпровідника n-типу (де їх багато) у напівпровідник р-типу, а дірки — навпаки (на мал. 52 це відображено суцільними хвилястими стрілочками). Ця дифузія електронів і дірок відбувалась би до повного вирівнювання їх концентрацій в обох контактуючих напівпровідниках, якби ці частинки не переносили зарядів. Дійсно, внаслідок такого переміщення n-область заряджається позитивно, а р-область — негативно. Виникає контактна різниця потенціалів. Електричне поле перешкоджає дальшій дифузії основних носіїв через межу, відкидаючи основні носії назад у свої області (пунктирні стрілочки на мал. 52). Крім того, оскільки частина електронів, що перейшли в р-область, рекомбінувала з дірками, і відповідна рекомбінація відбулася в n-області, то утворився шар, збіднений носіями заряду, опір якого досить великий, — запірний шар.

Ділянку контакту напівпровідників n- і р-типів провідності називають р-n-переходом, основною властивістю якого є однобічна провідність. Якщо подати напругу на напівпровідники так, щоб до напівпровідника р-типу під'єднувався позитивний полюс батареї, а до напівпровідника n-типу — негативний, то поле в переході буде ослаблене, запірний шар звузиться або зникне і дифузійні потоки основних носіїв (дірок з р-області й електронів з n-області) прямуватимуть через перехід. Такий перехід називають прямим (мал. 53, а). Сила струму за збільшення напруги зростає дуже швидко, і закон Ома не виконується.

Під'єднаємо полюси батареї навпаки (мал. 53, б). У цьому разі зовнішня напруга збігається за знаком з контатною різницею потенціалів. Зовнішнє поле підсилює поле р—n-переходу, і дифузійні потоки основних носіїв струму через перехід значно зменшуються.

Мал. 53. Механізм дії прямого (а) та зворотного (б) переходу

Струм I в колі стане незначним за тієї ж напруги U, оскільки струм через р—n-перехід забезпечується неосновними носіями заряду, провідність зразка стає незначною, а опір великим. Цей перехід називають зворотним.

На вольт-амперній характеристиці залежність сили прямого струму від напруги зображено лінією, що зростає в додатному напрямку осі напруг U (мал. 54). Після перемикання полюсів батареї, коли потенціал напівпровідника р-типу стає від'ємним, а потенціал напівпровідника n-типу — додатним, опір переходу зростає, а струм стає незначним. Сила зворотного струму майже не змінюється в разі зміни напруги. Різке збільшення зворотного струму на краю кривої пов'язане з пробоєм напівпровідника.

Мал. 54. Вольт-амперна характеристика р-n-переходу

Властивості напівпровідників (зокрема, термо- й фотопровідність) та контактні явища від одного або двох р-n-переходів широко використовують у різних напівпровідникових пристроях. Стрімкий розвиток техніки й технологій став можливим завдяки використанню напівпровідникових приладів. Їх використовують у звичайному радіоприймачі, мобільному телефоні, квантовому генераторі (лазері) тощо. Напівпровідникові інтегральні мікросхеми є основою сучасної обчислювальної техніки, комп'ютерів, іншої цифрової техніки та ґаджетів.

Детальніше про напівпровідникові прилади читайте в електронному додатку.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Як виникають електронна та діркова провідність напівпровідників? 2. Чому зменшується питомий опір напівпровідників з підвищенням температури? 3. Чому в напівпровіднику з домішковою провідністю існують як основні, так і неосновні носії електричного струму? 4. Є напівпровідникова пластинка з домішковою провідністю. Як дослідним шляхом визначити, якого типу — n- чи р- — є цей напівпровідник?

Експериментуємо

У двох непрозорих коробках уміщено по одному резистору, клеми яких виведено назовні. Визначте, в якій з коробок міститься напівпровідниковий резистор. Обладнання: термістор, омічний резистор, джерело живлення, гальванометр, реостат, сухий спирт, з'єднувальні провідники, вимикач.