Фізика 11 клас

ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ


Розділ 1 Електричне поле і струм

§ 9. ЕЛЕКТРИЧНИЙ і СТРУМ У НАПІВПРОВІДНИКАХ

 

У 9 класі ви вивчали матеріал, який стосується напівпровідників і електричного струму в них. Тому ми коротко розглянемо те, про що ви знаєте, і більш детально зупинимося на інших властивостях напівпровідників та їх застосуванні.

Отже, відрізнити напівпровідники від провідників можна за характером залежності електропровідності від температури. Вимірювання під час дослідів показують, що в таких елементах, як Силіцій (ві), Германій (Се), Селен (ве) тощо і їхніх сполуках (РЬБ, Сов та ін.) питомий опір з підвищенням температури не зростає, як у металів (мал. 31), а, навпаки, різко зменшується (мал. 32). Такі речовини і називають напівпровідниками.

З графіка, поданого на мал. 32, видно, що при температурах, які наближаються до абсолютного нуля, питомий опір напівпровідників дуже великий. Це означає, що при низьких температурах напівпровідник є фактично діелектриком. З підвищенням температури питомий опір швидко зменшується. Учому ж причина цього явища?

Щоб зрозуміти механізм виникнення провідності в напівпровідниках, треба розглянути будову напівпровідникових кристалів і природу зв'язків, що утримують атоми

 

 

Мал. 31

 

 

Мал. 32

 

 

 

Мал. 33

 

 

кристала один біля одного. Як приклад розглянемо кристал силіцію.

Силіцій — чотиривалентний елемент. Це означає, що в зовнішній оболонці атома є чотири електрони, які порівняно слабо зв'язані з ядром. Кожний атом Силіцію має чотирьох найближчих сусідів. Схему структури кристала силіцію зображено на мал. 33.

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 чотири 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 переміщатися уздовж усього кристала. Колективізовані валентні електрони належать усьому кристалу.

Парноелектронні зв'язки силіцію досить міцні й при низьких температурах не розриваються. Тому силіцій при низькій температурі 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 їх рух. Аналогічну будову має кристал германію.

Від нагрівання силіцію кінетична енергія валентних електронів зростає 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. 34). Провідність напівпровідників, зумовлену наявністю в них вільних електронів, називають електронною провідністю.

З підвищенням температури кількість розірваних зв'язків і, отже, вільних електронів збільшується. При нагріванні від 300 до 700 К кількість вільних носіїв заряду збільшується від 1017 до 1024 м-3. ц е 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. 34).

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 переміщатися в кристалі.


 

Мал. 36

 

 

Мал. 35

 

На мал. 35 зображено механізм електронної і діркової провідностей. За відсутності зовнішнього поля е один вільний електрон (-) і одна дірка ( + ) (мал. 35, а). При накладанні поля відбувається переміщення електронів. Вільний електрон прямує проти напрямку напруженості поля. У цьому ж напрямі переміщається також один із зв'язаних електронів (мал. 35, б). Це виглядає як перехід дірки в напрямі поля (мал. 3 5, в).

Якщо напруженість електричного поля в зразку дорівнює нулю, то переміщення дірок, рівноцінне переміщенню позитивних зарядів, відбувається хаотично і тому не створює електричний струм. При наявності електричного поля виникає упорядкований перехід дірок і, таким чином, до електричного струму вільних електронів додається електричний струм, обумовлений переходом дірок. Напрям руху дірок протилежний напряму 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.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити