Що таке напівпровідники? Опір напівпровідників. Як залежить опір від температури Зі зростанням температури опір провідника збільшується
У своїй практичній діяльності кожен електрик зустрічається з різними умовами проходження носіїв зарядів у металах, напівпровідниках, газах та рідинах. На величину струму впливає електричний опір, який по-різному змінюється під впливом навколишнього середовища.
Одним із таких факторів є температурний вплив. Оскільки воно значно змінює умови протікання струму, враховується конструкторами у виробництві електроустаткування. p align="justify"> Електротехнічний персонал, що бере участь в обслуговуванні та експлуатації електроустановок, зобов'язаний грамотно використовувати ці особливості в практичній роботі.
Вплив температури на електричний опір металів
У шкільному курсі фізики пропонується провести такий досвід: взяти амперметр, батарейку, відрізок дроту, сполучні дроти та пальник. Замість амперметра з батарейкою можна підключити омметр або використовувати режим у мультиметрі.
Тепер піднесемо полум'я пальника до дроту і станемо його нагрівати. Якщо дивитися на амперметр, то буде видно, що стрілка переміщатиметься вліво і досягне положення, позначеного червоним кольором.
Результат досвіду демонструє, що з нагріванні металів їх провідність зменшується, а опір зростає.
Математичне обгрунтування цього явища наведено формулами на картинці. У нижньому вираженні добре видно, що електричний опір "R" металевого провідника прямо пропорційно його температурі "Т" і залежить ще від кількох параметрів.
Як нагрівання металів обмежує електричний струм на практиці
Лампи розжарювання
Щодня при включенні освітлення ми зустрічаємося з проявом цієї властивості ламп розжарювання. Проведемо нескладні виміри на лампочці з потужністю 60 Вт.
Найпростішим омметром, що живиться від низьковольтної батареї 4,5 V, виміряємо опір між контактами цоколя і побачимо значення 59 Ом. Цю величину має нитка розжарення в холодному стані.
Вкрутимо лампочку в патрон і через амперметр підключимо до неї напругу домашньої мережі 220 вольт. Стрілка амперметра покаже 0,273 ампера. За визначимо опір нитки у нагрітому стані. Воно становитиме 896 Ом і перевищить попереднє показання омметра у 15,2 рази.
Таке перевищення оберігає метал тіла розжарення від перегорання та руйнування, забезпечуючи його тривалу працездатність під напругою.
Перехідні процеси при включенні
При роботі нитки розжарення на ній створюється тепловий баланс між нагріванням від електричного струму, що проходить, і відведенням частини тепла в навколишнє середовище. Але на початковому етапі включення при подачі напруги виникають перехідні процеси, що створюють кидок струму, який може призвести до перегорання нитки.
Перехідні процеси протікають за короткий час і викликані тим, що швидкість зростання електричного опору від нагрівання металу не встигає збільшенням струму. Після закінчення встановлюється робочий режим.
Під час тривалого світіння лампи поступово товщина її нитки сягає критичного стану, що призводить до перегорання. Найчастіше цей момент виникає за чергового нового включення.
Для продовження ресурсу лампи у різний спосіб зменшують цей кидок струму, використовуючи:
1. пристрої, що забезпечують плавну подачу та зняття напруги;
2. схеми послідовного підключення до нитки розжарення резисторів, напівпровідників або терморезисторів (термісторів).
Приклад одного зі способів обмеження пускового струму для автомобільних світильників показано на малюнку нижче.
Тут струм на лампочку подається після включення тумблера SA через запобіжник FU і обмежується резистором R, у якого номінал підбирається так, щоб струм струму під час перехідних процесів не перевищував номінальне значення.
При нагріванні нитки розжарювання її опір зростає, що веде до збільшення різниці потенціалів на її контактах і паралельно підключеній обмотці реле KL1. Коли напруга досягне величини уставки реле, нормально відкритий контакт KL1 замкнеться і зашунтує резистор. Через лампочку почне протікати робочий струм режиму, що вже встановився.
Вплив температури металу на його електричний опір використовують у роботі вимірювальних приладів. Їх називають .
Їх чутливий елемент виконують тонким зволіканням з металу, опір якого ретельно виміряно при певних температурах. Цю нитку монтують у корпусі зі стабільними термічними властивостями та закривають захисним чохлом. Створена конструкція міститься у середу, температуру якої необхідно постійно контролювати.
На висновки чутливого елемента монтуються дроти електричної схеми, якими підключається ланцюг вимірювання опору. Його величина перераховується у значення температури на основі раніше виробленого калібрування приладу.
Бареттер – стабілізатор струму
Так називають прилад, що складається зі скляного герметичного балона з газоподібним воднем та металевою дротяною спіраллю із заліза, вольфраму або платини. Ця конструкція на вигляд нагадує лампочку розжарювання, але вона має специфічну вольт-амперну нелінійну характеристику.
На ВАХ у певному її діапазоні утворюється робоча зона, яка залежить від коливань прикладеного на тіло напруження. На цій ділянці бареттер добре компенсує пульсації живлення та працює як стабілізатор струму на підключеному послідовно до нього навантаженні.
Робота бареттера заснована на властивості теплової інерції тіла розжарення, яка забезпечується маленьким перетином нитки і високою теплопровідністю навколишнього водню. За рахунок цього при зниженні напруги на приладі прискорюється відведення тепла з нитки.
Це основна відмінність бареттера від освітлювальних ламп розжарювання, у яких для підтримки яскравості світіння прагнуть зменшити втрати конвективні тепла з нитки.
Надпровідність
У нормальних умовах середовища при охолодженні металевого провідника відбувається зменшення його електричного опору.
При досягненні критичної температури, близької до нуля градусів у системі вимірювання Кельвіна, відбувається різке падіння опору до нульового значення. На правій картинці показано таку залежність для ртуті.
Це явище, назване надпровідністю, вважається перспективною областю для досліджень з метою створення матеріалів, здатних значно знизити втрати електроенергії під час її передачі на величезні відстані.
Однак, вивчення надпровідності, що продовжуються, виявили ряд закономірностей, коли на електричний опір металу, що знаходиться в області критичних температур, впливають інші фактори. Зокрема, при проходженні змінного струму з підвищенням частоти його коливань виникає опір, величина якого сягає діапазону звичайних значень у гармонік з періодом світлових хвиль.
Вплив температури на електричний опір/провідність газів
Гази та звичайне повітря є діелектриками і не проводять електричний струм. Для його утворення потрібні носії зарядів, якими виступають іони, що утворюються внаслідок впливу зовнішніх факторів.
Нагрів здатний викликати іонізацію та рух іонів від одного полюса середовища до іншого. Переконатись у цьому можна на прикладі простого досвіду. Візьмемо те саме устаткування, яким користувалися визначення впливу нагріву на опір металевого провідника, тільки замість дроту до проводів підключимо дві металеві пластини, розділені повітряним простором.
Під'єднаний до схеми амперметр покаже відсутність струму. Якщо між пластинами помістити полум'я пальника, то стрілка приладу відхилиться від нульового значення і покаже величину струму, що проходить через газове середовище.
Таким чином встановили, що в газах при нагріванні відбувається іонізація, що призводить до руху електрично заряджених частинок та зниження опору середовища.
На значенні струму позначається потужність зовнішнього прикладеного джерела напруги та різниця потенціалів між його контактами. Вона здатна при високих значеннях пробити ізоляційний шар газів. Характерним проявом подібного випадку у природі є природний розряд блискавки під час грози.
Зразковий вид вольт-амперної характеристики протікання струму в газах показано на графіку.
На початковому етапі під дію температури та різниці потенціалів спостерігається зростання іонізації та проходження струму приблизно за лінійним законом. Потім крива набуває горизонтального напрямку, коли збільшення напруги не викликає зростання струму.
Третій етап пробою настає тоді, коли висока енергія прикладеного поля так розганяє іони, що вони починають судитися з нейтральними молекулами, масово утворюючи їх нові носії зарядів. В результаті струм різко зростає, утворюючи пробою діелектричного шару.
Практичне використання провідності газів
Явище протікання струму через гази використовується в радіоелектронних лампах та люмінесцентних світильниках.
Для цього всередині герметичного скляного балона з інертним газом мають два електроди:
1. анод;
2. катод.
У люмінесцентної лампи вони виконані у вигляді ниток розжарювання, які розігріваються при включенні для створення термоелектронної емісії. Внутрішня поверхня колби вкрита шаром люмінофора. Він випромінює видимий нами спектр світла, що утворюється при інфрачервоному опроміненні, що виходить від парів ртуті, що бомбардуються потоком електронів.
Струм газового розряду виникає при додатку напруги певної величини між електродами, розташованими по різних кінцях колби.
Коли одна з ниток розжарення перегорить, то на цьому електроді порушиться електронна емісія і лампа не горітиме. Однак, якщо збільшити різницю потенціалів між катодом та анодом, то знову виникне газовий розряд усередині колби та свічення люмінофора відновиться.
Це дозволяє використовувати світлодіодні колби з порушеними нитками розжарення та продовжувати їхній ресурс роботи. Тільки слід враховувати, що при цьому в кілька разів треба підняти на ній напругу, а це значно підвищує споживану потужність та ризики безпечного використання.
Вплив температури на електричний опір рідин
Проходження струму в рідинах створюється переважно з допомогою руху катіонів і аніонів під впливом прикладеного ззовні електричного поля. Лише незначну частину провідності забезпечують електрони.
Вплив температури на величину електричного опору рідкого електроліту описується формулою, наведеною на зображенні. Оскільки в ній значення температурного коефіцієнта завжди негативно, то зі збільшенням нагріву провідність зростає, а опір падає так, як показано на графіку.
Це явище необхідно враховувати при зарядці автомобільних рідинних (і не тільки) акумуляторних батарей.
Вплив температури на електричний опір напівпровідників
Зміна властивостей напівпровідникових матеріалів під впливом температури дозволило використовувати їх як:
термічних опорів;
термоелементів;
холодильників;
нагрівачів.
Терморезистори
Такою назвою позначають напівпровідникові прилади, що змінюють електричний опір під впливом тепла. Їх значно вищі, ніж у металів.
Величина ТКС у напівпровідників може мати позитивне чи негативне значення. За цим параметром їх поділяють на позитивні РТС і негативні NTC термістори. Вони мають різні характеристики.
Для роботи терморезистора вибирають одну з точок на його вольт-амперній характеристиці:
лінійну ділянку застосовують для контролю температури або компенсації струмів, що змінюються, або напруг;
низхідна гілка ВАХ у елементів із ТКС
Застосування релейного терморезистора зручне при контролі або вимірювання процесів електромагнітних випромінювань, що відбуваються на надвисоких частотах. Це забезпечило їх використання у системах:
1. контролю тепла;
2. пожежної сигналізації;
3. регулювання витрати сипучих середовищ та рідин.
Кремнієві терморезистори з маленьким ТКС>0 використовують у системах охолодження та стабілізації температури транзисторів.
Термоелементи
Ці напівпровідники працюють на основі явища Зеєбека: при нагріванні спаяного місця двох розрізнених металів на стику замкненого ланцюга виникає ЕРС. У такий спосіб вони перетворюють теплову енергію на електрику.
Конструкцію із двох таких елементів називають термопарою. Її ККД лежить у межах 7÷10%.
Термоелементи використовують у вимірниках температур цифрових обчислювальних пристроїв, що вимагають мініатюрні габарити та високу точність показань, а також як малопотужні джерела струму.
Напівпровідникові нагрівачі та холодильники
Вони працюють з допомогою зворотного використання термоелементів, якими пропускають електричний струм. У цьому одному місці спаю відбувається його нагрівання, але в протилежному - охолодження.
Напівпровідникові спаї на основі селену, вісмуту, сурми, телуру дозволяють забезпечити різницю температур у термоелементі до 60 градусів. Це дозволило створити конструкцію холодильної шафи із напівпровідників із температурою в камері охолодження до -16 градусів.
У напівпровідників електропровідність значно залежить від температури. При температурах, близьких до абсолютного нулю, вони перетворюються на ізолятори, а при високих температурах їх провідність стає значною. На відміну від металів число електронів провідності в напівпровідниках не дорівнює числу валентних електронів, а становить лише невелику його частину. Різка залежність провідності напівпровідників від температури свідчить про те, що електрони провідності виникають у них під впливом теплового руху.
7.Сформулюйте та запишіть закон Брюстера. Поясніть відповідь малюнком.
Якщо тангенс кута падіння променя на межу розділу двох діелектриків дорівнює відносному показнику заломлення, то відбитий промінь повністю поляризований у площині, перпендикулярній до площини падіння, тобто паралельно межі розділу середовищ
tg a Б = n 21 .
Тут a Б - кут падіння світла, що називається кутом Брюстера, n 21 - відносний показник заломлення другого середовища щодо першої
8. У чому суть співвідношень невизначеності Гейзенберга?
x* p x >=h
y* p y >=h
z* p z >=h
E* t>=h
Δx, y, z- неточність у визначенні координати
Δp – неточність у визначенні імпульсу
Фіз. сенс: не можна одночасно точно виміряти координату та імпульс.
9. Як зміниться частота вільних коливань у коливальному контурі, якщо індуктивність котушки збільшити в 4 рази, а електроємність конденсатора зменшити в 2 рази?
Відповідь: зменшиться в раз
10.Вкажіть продукт ядерної реакції Li+ Н Не+?
11.Чому дорівнює індуктивний опір котушки індук-тивністю 2 мГн при частоті коливань струму n = 50 Гц?
R L =wL=2πνL=0,628 (Oм). Відповідь: R L =0,628 (Oм)
Якщо абсолютний показник заломлення середовища дорівнює 1,5, то чому дорівнює швидкість світла у цьому середовищі?
n= c/v 2*10 8
13. Довжина хвилі гамма-випромінювання нм. Яку різницю потенціалів U треба докласти до рентгенівської трубки, щоб отримати рентгенівське проміння з цієї довжиною хвилі?
14. Довжина хвиль де Бройля для частки дорівнює 2,2 нм. Знайти масу частки, якщо рухається зі швидкістю .
m= = 6, 62*10 -34 /2, 2*10 -9 *10 5 =3, 01*10 -30 ;
В результаті розсіювання фотона на вільному електроні комптонівське зміщення дорівнювало 1,2 пм. Знайти кут розсіювання.
16. Коливальний контур містить конденсатор електроємністю 50нФ і котушку індуктивністю 5/(4 ) мкГн. Визначте довжину хвилі випромінювання
17. Робота виходу електрона з платини дорівнює. Чому дорівнює максимальна кінетична енергія фотоелектронів, що вириваються з платини світлом із довжиною хвилі 0,5 мкм?
18. Відстань між штрихами дифракційної ґрати d = 4 мкм. На решітку нормально падає світло з довжиною хвилі = 0,6 мкм. Максимум якого найбільшого порядку дає ці грати?
d=4мкм, dsinj = nl, sinj=1,n= =
Мак. порядок - 6
19. Чому дорівнює шар половинного поглинання світла d 1/2 якщо при проходженні світлом шару речовини в 30 мм інтенсивність світла зменшується в 8 разів? , , , , , , 
,
20. У досвіді Юнга отвори освітлювалися монохроматичним світлом довжиною хвилі = 6·10 -5 см, відстань між отворами 1 мм та відстань від отворів до екрана 3 м. Знайдіть положення першої світлої смуги .
Варіант 18
1.Магнітне поле називається однорідним, якщо… вектор магнітної індукції у всіх точках однаковий. приклад (постійний магніт)
2. Які коливання називають вимушеними?
Вимушені коливання - коливання, що виникають у будь-якій системі під впливом змінного зовнішнього впливу. Характер вимушених коливань визначається як властивостями зовнішнього впливу, і властивостями самої системи.
3. Що називають зовнішнім фотоефектом?
Зовнішнім фотоефектом називається виривання електронів із речовини під впливом електромагнітного випромінювання. Зовнішній фотоефект спостерігається переважно у провідниках
4. Що називається абсолютно чорним тілом?
Тіло, здатне повністю поглинати при будь-якій температурі все випромінювання будь-якої частоти, що падає на нього, називається чорним. Отже, спектральна поглинальна здатність чорного тіла для всіх частот і температур тотожно дорівнює одиниці ()
5. Сформулюйте та запишіть закон Ламберта
Закон Бугера - Ламберта - Бера - фізичний закон, що визначає послаблення паралельного монохроматичного пучка світла при поширенні його в поглинаючому середовищі.
де - інтенсивність вхідного пучка, l - товщина шару речовини, через яке проходить світло, - показник поглинання
Теми кодифікатора ЄДІ: напівпровідники, власна та домішкова провідність напівпровідників.
Досі, говорячи про здатність речовин проводити електричний струм, ми ділили їх на провідники та діелектрики. Питома опір звичайних провідників перебуває у інтервалі Ом·м; питомий опір діелектриків перевищує ці величини в середньому на порядки: Ом.
Але існують також речовини, які за своєю електропровідністю займають проміжне положення між провідниками та діелектриками. Це напівпровідники: їх питомий опір при кімнатній температурі може набувати значень дуже широкому діапазоні Ом·м. До напівпровідників відносяться кремній, германій, селен, деякі інші хімічні елементи та сполуки (напівпровідники надзвичайно поширені в природі. Наприклад, близько 80% маси земної кори припадає на речовини, що є напівпровідниками). Найбільш широко застосовуються кремній та германій.
Головна особливість напівпровідників полягає в тому, що їхня електропровідність різко збільшується з підвищенням температури. Питомий опір напівпровідника зменшується зі зростанням температури приблизно так, як показано на рис. 1 .
Мал. 1. Залежність для напівпровідника
Іншими словами, при низькій температурі напівпровідники поводяться як діелектрики, а при високій - як досить добрі провідники. У цьому полягає відмінність напівпровідників від металів: питомий опір металу, як пам'ятаєте, лінійно зростає зі збільшенням температури.
Між напівпровідниками та металами є й інші відмінності. Так, освітлення напівпровідника викликає зменшення його опору (а на опір металу світло майже не впливає). Крім того, електропровідність напівпровідників може дуже змінюватися при введенні навіть мізерної кількості домішок.
Досвід показує, що, як і у разі металів, при протіканні струму через напівпровідник немає переносу речовини. Отже, електричний струм у напівпровідниках обумовлений рухом електронів.
Зменшення опору напівпровідника за його нагріванні свідчить, що підвищення температури призводить до збільшення кількості вільних зарядів у напівпровіднику. У металах нічого такого немає; отже, напівпровідники мають інший механізм електропровідності, ніж метали. І причина цього – різна природа хімічного зв'язку між атомами металів та напівпровідників.
Ковалентний зв'язок
Металевий зв'язок, як ви пам'ятаєте, забезпечується газом вільних електронів, який, подібно до клею, утримує позитивні іони у вузлах кристалічних ґрат. Напівпровідники влаштовані інакше – їх атоми скріплює ковалентний зв'язок. Згадаймо, що це таке.
Електрони, що знаходяться на зовнішньому електронному рівні та звані валентними, Слабше пов'язані з атомом, ніж інші електрони, які розташовані ближче до ядра. У процесі утворення ковалентного зв'язку два атоми вносять «у спільну справу» за своїм валентним електроном. Ці два електрони узагальнюються, тобто тепер належать вже обом атомам, і тому називаються загальною електронною парою(Рис. 2).
Мал. 2. Ковалентний зв'язок
Узагальнена пара електронів таки утримує атоми один біля одного (за допомогою сил електричного тяжіння). Ковалентний зв'язок - це зв'язок, що існує між атомами за рахунок загальних електронних пар. З цієї причини ковалентний зв'язок називається також парноелектронної.
Кристалічна структура кремнію
Тепер ми готові докладніше вивчити внутрішній пристрій напівпровідників. Як приклад розглянемо найпоширеніший у природі напівпровідник – кремній. Аналогічна будова має і другий за важливістю напівпровідник – германій.
Просторова структура кремнію представлена на рис. 3 (автор зображення - Ben Mills). Кульками зображені атоми кремнію, а трубки, що їх з'єднують - це канали ковалентного зв'язку між атомами.
Мал. 3. Кристалічна структура кремнію
Зверніть увагу, що кожен атом кремнію скріплений з чотирмасусідніми атомами. Чому так виходить?
Справа в тому, що кремній чотиривалентний - на зовнішній електронній оболонці атома кремнію розташовані чотири валентні електрони. Кожен із цих чотирьох електронів готовий утворити спільну електронну пару з валентним електроном іншого атома. Так і стається! В результаті атом кремнію оточується чотирма атомами, що пристикуються до нього, кожен з яких вносить по одному валентному електрону. Відповідно, навколо кожного атома виявляється по вісім електронів (чотири свої та чотири чужі).
Більш детально ми бачимо це на плоскій схемі кристалічних ґрат кремнію (рис. 4).
Мал. 4. Кристалічні грати кремнію
Ковалентні зв'язки зображені парами ліній, що з'єднують атоми; на цих лініях знаходяться спільні електронні пари. Кожен валентний електрон, розташований на такій лінії, більшу частину часу проводить у просторі між двома сусідніми атомами.
Однак валентні електрони аж ніяк не «прив'язані намертво» до відповідних пар атомів. Відбувається перекриття електронних оболонок всіхсусідніх атомів, тому будь-який валентний електрон є загальним надбанням всіх атомів-сусідів. Від деякого атома 1 такий електрон може перейти до сусіднього з ним атома 2 потім - до сусіднього з ним атома 3 і так далі. Валентні електрони можуть переміщатися по всьому простору кристала - вони, як то кажуть, належать всьому кристалу(а не якійсь одній атомній парі).
Тим не менш, валентні електрони кремнію не є вільними (як це має місце у металі). У напівпровіднику зв'язок валентних електронів з атомами набагато міцніший, ніж у металі; ковалентні зв'язки кремнію не розриваються за невисоких температур. Енергії електронів виявляється недостатньо для того, щоб під дією зовнішнього електричного поля розпочати впорядкований рух від меншого потенціалу до більшого. Тому за досить низьких температур напівпровідники близькі до діелектриків - вони не проводять електричний струм.
Власна провідність
Якщо включити в електричний ланцюг напівпровідниковий елемент і почати його нагрівати, сила струму в ланцюзі зростає. Отже, опір напівпровідника зменшуєтьсяіз зростанням температури. Чому це відбувається?
При підвищенні температури теплові коливання атомів кремнію стають інтенсивнішими, і енергія валентних електронів зростає. У деяких електронів енергія досягає значень достатніх для розриву ковалентних зв'язків. Такі електрони залишають свої атоми та стають вільними(або електронами провідності) - так само, як у металі. У зовнішньому електричному полі вільні електрони починають упорядкований рух, утворюючи електричний струм.
Що температура кремнію, то більше вписувалося енергія електронів, і більше ковалентних зв'язків не витримує і рветься. Число вільних електронів у кристалі кремнію зростає, що призводить до зменшення його опору.
Розрив ковалентних зв'язків та поява вільних електронів показано на рис. 5 . На місці розірваного ковалентного зв'язку утворюється дірка- Вакантне місце для електрона. Дірка має позитивнийзаряд, оскільки з відходом негативно зарядженого електрона залишається некомпенсований позитивний заряд ядра атома кремнію.
Мал. 5. Утворення вільних електронів та дірок
Дірки не залишаються на місці - вони можуть блукати кристалом. Справа в тому, що один із сусідніх валентних електронів, «подорожуючи» між атомами, може перескочити на вакантне місце, що утворилося, заповнивши дірку; тоді дірка тут зникне, але з'явиться там, звідки електрон прийшов.
За відсутності зовнішнього електричного поля переміщення дірок має випадковий характер, бо валентні електрони блукають між атомами хаотично. Проте в електричному полі починається спрямованерух дірок. Чому? Зрозуміти це нескладно.
На рис. 6 зображено напівпровідник, поміщений в електричне поле . У лівій частині малюнка – початкове положення дірки.
Мал. 6. Рух дірки в електричному полі
Куди зміститься дірка? Зрозуміло, що найімовірнішими є перескоки «електрон > дірка» у напрямку протиліній поля (тобто «плюсів», що створює поле). Один із таких перескоків показаний у середній частині малюнка: електрон стрибнув ліворуч, заповнивши вакансію, а дірка відповідно змістилася вправо. Наступний можливий стрибок електрона, спричинений електричним полем, зображений у правій частині малюнка; в результаті цього стрибка дірка посіла нове місце, розташоване ще правіше.
Ми бачимо, що дірка загалом переміщається у напрямкуліній поля - тобто туди, куди і слід рухатися позитивним зарядам. Ще раз підкреслимо, що спрямований рух дірки вздовж поля викликаний перескоками валентних електронів від атома до атома, що відбуваються переважно в напрямку проти поля.
Таким чином, в кристалі кремнію є два типи носіїв заряду: вільні електрони та дірки. При накладенні зовнішнього електричного поля з'являється електричний струм, викликаний їх упорядкованим зустрічним рухом: вільні електрони переміщаються протилежно вектору напруженості поля, а дірки - у напрямку вектора.
Виникнення струму рахунок руху вільних електронів називається електронною провідністю, або провідністю n-типу. Процес упорядкованого переміщення дірок називається дірковою провідністю,або провідністю p-типу(Від перших букв латинських слів negativus (негативний) і positivus (позитивний)). Обидві провідності - електронна та дірочна - разом називаються власною провідністюнапівпровідник.
Кожен відхід електрона з розірваного ковалентного зв'язку породжує пару «вільний електрон-дірка». Тому концентрація вільних електронів у кристалі чистого кремнію дорівнює концентрації дірок. Відповідно, при нагріванні кристала збільшується концентрація як вільних електронів, а й дірок, що призводить до зростання власної провідності напівпровідника рахунок збільшення як електронної, і діркової провідності.
Поряд з утворенням пар «вільний електрон-дірка» йде і зворотний процес: рекомбінаціявільних електронів та дірок. А саме, вільний електрон, зустрічаючись із діркою, заповнює цю вакансію, відновлюючи розірваний ковалентний зв'язок і перетворюючись на валентний електрон. Таким чином, у напівпровіднику встановлюється динамічна рівновага: середня кількість розривів ковалентних зв'язків і електронно-діркових пар, що утворюються, в одиницю часу дорівнює середньому числу рекомбінуючих електронів і дірок. Цей стан динамічної рівноваги визначає рівноважну концентрацію вільних електронів та дірок у напівпровіднику за цих умов.
Зміна зовнішніх умов зміщує стан динамічної рівноваги у той чи інший бік. Рівноважне значення концентрації носіїв заряду у своїй, природно, змінюється. Наприклад, кількість вільних електронів і дірок зростає при нагріванні напівпровідника або його освітленні.
При кімнатній температурі концентрація вільних електронів і дірок у кремнії приблизно дорівнює див. Концентрація атомів кремнію - близько див. Іншими словами, на атомів кремнію припадає лише один вільний електрон! Це дуже мало. У металах, наприклад, концентрація вільних електронів приблизно дорівнює концентрації атомів. Відповідно, власна провідність кремнію та інших напівпровідників за нормальних умов мала в порівнянні з провідністю металів.
Домішна провідність
Найважливішою особливістю напівпровідників є те, що їх питомий опір може бути зменшено на кілька порядків у результаті введення навіть незначної кількості домішок. Крім власної провідності у напівпровідника виникає домінуюча домішкова провідність. Саме завдяки цьому факту напівпровідникові прилади знайшли таке широке застосування в науці та техніці.
Припустимо, наприклад, що розплав кремнію додано трохи пятивалентного миш'яку . Після кристалізації розплаву виявляється, що атоми миш'яку займають місця в деяких вузлах кристалічної решітки кремнію, що сформувалася.
На зовнішньому електронному рівні атома миш'яку є п'ять електронів. Чотири з них утворюють ковалентні зв'язки з найближчими сусідами – атомами кремнію (рис. 7). Яка доля п'ятого електрона, що не зайнятий у цих зв'язках?
Мал. 7. Напівпровідник n-типу
А п'ятий електрон стає вільним! Справа в тому, що енергія зв'язку цього «зайвого» електрона з атомом миш'яку, розташованим у кристалі кремнію, набагато менше енергії зв'язку валентних електронів з атомами кремнію. Тому вже за кімнатної температури майже всі атоми миш'яку внаслідок теплового руху залишаються без п'ятого електрона, перетворюючись на позитивні іони. А кристал кремнію відповідно наповнюється вільними електронами, які відчепилися від атомів миш'яку.
Наповнення кристала вільними електронами для нас не новина: ми бачили це й вище, коли грівся чистийкремній (без будь-яких домішок). Але зараз ситуація принципово інша: поява вільного електрона, що пішов з атома миш'яку, не супроводжується появою рухомої дірки. Чому? Причина та ж - зв'язок валентних електронів з атомами кремнію набагато міцніший, ніж з атомом миш'яку на п'ятій вакансії, тому електрони сусідніх атомів кремнію і не прагнуть цю вакансію заповнити. Вакансія, таким чином, залишається на місці, вона хіба що «приморожена» до атома миш'яку і бере участь у створенні струму.
Таким чином, Впровадження атомів пятивалентного миш'яку в кристалічну решітку кремнію створює електронну провідність, але не призводить до симетричної появи діркової провідності. Головна роль створенні струму тепер належить вільним електронам, які у разі називаються основними носіямизаряду.
Механізм власної провідності, зрозуміло, продовжує працювати і за наявності домішки: ковалентні зв'язки, як і раніше, рвуться за рахунок теплового руху, породжуючи вільні електрони та дірки. Але тепер дірок виявляється набагато менше, ніж вільних електронів, які у великій кількості надані атомами миш'яку. Тому дірки в даному випадку будуть неосновними носіямизаряду.
Домішки, атоми яких віддають вільні електрони без появи рівної кількості рухомих дірок, називаються донорними. Наприклад, пятивалентний миш'як - донорна домішка. За наявності напівпровідника донорної домішки основними носіями заряду є вільні електрони, а неосновними - дірки; іншими словами, концентрація вільних електронів набагато перевищує концентрацію дірок. Тому напівпровідники з донорними домішками називаються електронними напівпровідниками, або напівпровідниками n-типу(або просто n-напівпровідниками).
А наскільки, цікаво, концентрація вільних електронів може перевищувати концентрацію дірок у n-напівпровіднику? Давайте проведемо простий розрахунок.
Припустимо, що домішка становить , тобто на тисячу атомів кремнію припадає один атом миш'яку. Концентрація атомів кремнію, як ми пам'ятаємо, порядку див.
Концентрація атомів миш'яку, відповідно, буде в тисячу разів менша: див. Такою ж виявиться і концентрація вільних електронів, відданих домішкою - адже кожен атом миш'яку віддає електроном. А тепер пригадаємо, що концентрація електронно-діркових пар, що з'являються при розривах ковалентних зв'язків кремнію, при кімнатній температурі приблизно дорівнює див. Відчуваєте різницю? Концентрація вільних електронів у разі більше концентрації дірок на порядків, тобто у мільярд раз! Відповідно, у мільярд разів зменшується питомий опір кремнієвого напівпровідника при введенні такої невеликої кількості домішки.
Наведений розрахунок показує, що у напівпровідниках n-типу основну роль справді грає електронна провідність. На тлі такої колосальної переваги чисельності вільних електронів внесок руху дірок у загальну провідність дуже малий.
Можна, навпаки, створити напівпровідник з величезним переважанням діркової провідності. Так вийде, якщо в кристал кремнію впровадити тривалентну домішку – наприклад, індій. Результат такого застосування показаний на рис. 8 .
Мал. 8. Напівпровідник p-типу
Що відбувається у цьому випадку? На зовнішньому електронному рівні атома індію розташовані три електрони, які формують ковалентні зв'язки з трьома навколишніми атомами кремнію. Для четвертого сусіднього атома кремнію в атома індія вже не вистачає електрона, і тут виникає дірка.
І дірка ця не проста, а особлива – з дуже великою енергією зв'язку. Коли до неї потрапить електрон із сусіднього атома кремнію, він у ній «застрягне навіки», бо тяжіння електрона до атома індія дуже велике - більше, ніж до атомів кремнію. Атом індия перетвориться на негативний іон, а там, звідки електрон прийшов, виникне дірка - але тепер вже звичайна рухлива дірка у вигляді розірваного ковалентного зв'язку в кристалічній решітці кремнію. Ця дірка звичайним чином почне блукати кристалом рахунок «естафетної» передачі валентних електронів від одного атома кремнію до іншого.
І так, кожен домішковий атом індію породжує дірку, але не призводить до симетричної появи вільного електрона. Такі домішки, атоми яких захоплюють «намертво» електрони і тим самим створюють у кристалі рухливу дірку, називаються акцепторними.
Тривалентний індій – приклад акцепторної домішки.
Якщо в кристал чистого кремнію ввести акцепторну домішка, то число дірок, породжених домішкою, буде набагато більше від кількості вільних електронів, що виникли за рахунок розриву ковалентних зв'язків між атомами кремнію. Напівпровідник з акцепторною домішкою - це дірковий напівпровідник, або напівпровідник p-типу(або просто p-напівпровідник).
Дірки відіграють головну роль при створенні струму в p-напівпровіднику; дірки - основні носії заряду. Вільні електрони - неосновні носіїзаряду в p-напівпровіднику. Рух вільних електронів у разі не робить істотного вкладу: електричний струм забезпечується насамперед дірковою провідністю.
p-n-перехід
Місце контакту двох напівпровідників з різними типами провідності (електронної та діркової) називається електронно-дірковим переходом, або p-n-переходом. В області p–n-переходу виникає цікаве та дуже важливе явище – одностороння провідність.
На рис. 9 зображено контакт областей p-і n-типу; кольорові кружечки - це дірки та вільні електрони, які є основними (або неосновними) носіями заряду у відповідних областях.
Мал. 9. Замикаючий шар p-n-переходу
Здійснюючи тепловий рух, носії заряду проникають через межу поділу областей.
Вільні електрони переходять з n-області до p-області і рекомбінують там з дірками; дірки ж дифундують з p-області в n-область і рекомбінують там з електронами.
В результаті цих процесів в електронному напівпровіднику біля межі контакту залишається некомпенсований заряд позитивних іонів донорної домішки, а в дірочному напівпровіднику (також поблизу кордону) виникає некомпенсований негативний заряд іонів акцепторної домішки. Ці некомпенсовані об'ємні заряди утворюють так званий замикаючий шар, внутрішнє електричне поле якого перешкоджає подальшій дифузії вільних електронів та дірок через кордон контакту.
Підключимо тепер до нашого напівпровідникового елемента джерело струму, подавши «плюс» джерела на n-напівпровідник, а «мінус» - на p-напівпровідник (рис. 10).
Мал. 10. Включення у зворотному напрямку: струму немає
Ми бачимо, що зовнішнє електричне поле забирає основні носії заряду далі від межі контакту. Ширина замикаючого шару збільшується, його електричне поле зростає. Опір замикаючого шару велике, і основні носії не в змозі подолати p-n-перехід. Електричне поле дозволяє переходити кордон лише неосновним носіям, проте з огляду на дуже малу концентрацію неосновних носіїв створюваний ними струм дуже малий.
Розглянута схема називається включенням p–n-переходу у зворотному напрямку. Електричного струму основних носіїв немає; є лише дуже малий струм неосновних носіїв. У разі p–n-переход виявляється закритим.
Тепер поміняємо полярність підключення і подамо «плюс» на p-напівпровідник, а «мінус»-на n-напівпровідник (рис. 11). Ця схема називається включенням у прямому напрямку.
Мал. 11. Включення у прямому напрямку: струм йде
У цьому випадку зовнішнє електричне поле спрямоване проти замикаючого поля і відкриває шлях основним носіям через p-n-перехід. Замикаючий шар стає тоншим, його опір зменшується.
Відбувається масове переміщення вільних електронів з n-області в p-область, а дірки, своєю чергою, дружно прямують з p-області в n-область.
У ланцюзі виникає струм , викликаний рухом основних носіїв заряду (Тепер, щоправда, електричне полі перешкоджає струму неосновних носіїв, але це нікчемний чинник помітно впливає загальну провідність).
Одностороння провідність p–n-переходу використовується в напівпровідникових діодах. Діодом називається пристрій, що проводять струм лише в одному напрямку; у протилежному напрямку струм через діод не проходить (діод, як то кажуть, закритий). Схематичне зображення діода показано на рис. 12 .
Мал. 12. Діод
В даному випадку діод відкритий у напрямку зліва направо: заряди течуть уздовж стрілки (бачите її на малюнку?). У напрямку праворуч наліво заряди немов упираються в стінку - діод закритий.
Зростає кінетична енергія атомів та іонів, вони починають сильніше коливатися біля положень рівноваги, електронам не вистачає місця для вільного руху.