§ 4. Проводимость различных сред

Проводимость полупроводников

4. Полупроводники — вещества, имеющие большую концентрацию свободных заряженных частиц, чем диэлектрики, и меньшую, чем проводники. К полупроводникам относятся такие вещества, как кремний, германий, селен, сернистый свинец и др.

Чтобы выяснить природу электрической проводимости полупроводников, рассмотрим строение четырёхвалентного элемента германия.

Атомы в кристалле германия взаимодействуют друг с другом посредством электронных пар. Как вам известно из курса химии, такое взаимодействие называют ковалентной связью. Четыре валентных электрона каждого атома германия связаны с такими же электронами соседних атомов. При этом соседние атомы взаимодействуют друг с другом благодаря паре электронов, каждый из которых принадлежит одному из атомов, но эти электроны стали общими для двух атомов. Плоская схема структуры кристалла германия представлена на рисунке 22.

Рис. 22

При низких температурах связи электронов с атомами достаточно прочные, и электроны не могут свободно перемещаться в кристалле. При повышении температуры электроны приобретают энергию, достаточную для того, чтобы разорвать эти связи и стать свободными или, говоря иначе, электронами проводимости. В отсутствие внешнего электрического поля они участвуют в хаотическом движении. При наличии внешнего электрического поля электроны начинают двигаться упорядоченно.

В той паре атомов, откуда ушёл электрон, став свободным, образовалось вакантное место — «дырка». Дырку можно рассматривать как положительно заряженную частицу. Место дырки может занять электрон из соседней электронной пары, тогда у соседнего атома образуется дырка, в которую переместится другой электрон, и т. д. (рис. 23). Таким образом, происходит движение дырок по кристаллу, т. е. перемещение положительного заряда. При наличии внешнего электрического поля движение дырок, так же как электронов, становится направленным.

Рис. 23

Таким образом, электрический ток в полупроводниках обусловлен движением электронов и дырок. Перемещение дырок происходит благодаря перемещению электронов связи.

Проводимость полупроводника, которая осуществляется за счёт свободных электронов и дырок, называют собственной проводимостью.

При повышении температуры или освещённости увеличивается число свободных электронов и дырок, поэтому сопротивление полупроводника уменьшается.

Собственная проводимость полупроводников невелика. Для того чтобы её увеличить, в полупроводник вносят примеси. В результате в полупроводнике возникает, наряду с собственной проводимостью, примесная проводимость. Создать примесную проводимость можно, внося в четырёхвалентный полупроводник пяти- или трёхвалентные атомы.

Если ввести в кристалл германия пятивалентный атом мышьяка, то один электрон мышьяка будет слабо связан с атомом. Вследствие теплового движения он покинет атом и станет свободным (рис. 24, а). Примеси, которые увеличивают число свободных электронов, называют донорными примесями, а полупроводники, имеющие донорную примесь, — полупроводниками n-типа. В таких полупроводниках основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки.

Рис. 24

Если ввести в кристалл германия трёхвалентный атом индия, то индию не будет хватать одного электрона для образования с атомом кремния ковалентной связи. Чтобы эту связь заполнить, атом кремния может отдать свой электрон, и в результате образуется дырка (рис. 24, б). Примеси, которые увеличивают число дырок, называют акцепторными примесями, а полупроводники, имеющие акцепторную примесь, — полупроводниками р-типа. Основными носителями заряда в полупроводниках p-типа являются дырки.

Внесение даже небольшого количества примеси в полупроводник способно очень сильно увеличить концентрацию свободных носителей электрического заряда в нём.

Вопросы для самопроверки

1. Какие частицы являются носителями заряда в растворе электролита? Как они образуются?

2. Как зависит сила тока в растворе электролита от приложенного напряжения; сопротивление электролита от температуры?

3. Как создать свободные носители заряда в вакууме?

4. Какие частицы создают электрический ток в газах?

5. В чём отличие несамостоятельного газового разряда от самостоятельного? Какова вольт-амперная характеристика газового разряда?

6. Как осуществляется собственная проводимость полупроводников?

7. Чем различаются донорные и акцепторные примеси?

<<< К началу