Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 2 ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ

§ 51 Електричним струм у напівпровідниках

Ви дізнаєтесь

- Які особливості мають напівпровідники

Пригадайте

- Які речовини називають напівпровідниками

Властивості напівпровідників. У другій половині XX ст. у різних галузях народного господарства широко розповсюдились напівпровідникові пристрої. Як ви вже знаєте, назва напівпровідники пояснюється тим, що їхня провідність займає проміжне значення між провідниками та діелектриками. До напівпровідників належить значно більше речовин, ніж до провідників і діелектриків разом узятих.

Завдяки дослідам було встановлено, що питомий опір напівпровідників з підвищенням температури не зростає, як у металів, а навпаки, різко зменшується. На малюнку 205 наведено графік залежності питомого опору напівпровідника від температури.

Як видно з малюнка, з наближенням температури до абсолютного нуля питомий опір напівпровідника різко зростає, тобто за низьких температур напівпровідник поводить себе як діелектрик. Зі збільшенням температури питомий опір напівпровідників швидко зменшується.

Відомі й інші властивості напівпровідників:

- електропровідність напівпровідників залежить від освітленості, тобто напівпровідникам властива так звана фотопровідність. Напівпровідники можуть перетворювати енергію світла в електричний струм;

- електропровідність напівпровідників можна значно збільшити введенням у них атомів деяких інших елементів (домішок).

Ці та деякі інші властивості напівпровідників були відомі досить давно, проте широко використовувати їх стали порівняно недавно.

Внутрішня будова напівпровідників. Пояснимо властивості напівпровідників, розглянувши їхню будову на прикладі чотиривалентного елемента Германію (мал. 206, а, с. 246).

На зовнішній оболонці атом Германію має 4 власні електрони. Прагнучи заповнити зовнішню оболонку до 8 електронів, атоми вишиковуються в кристалі германію так, що кожний атом має чотирьох найближчих «сусідів», які віддають йому по одному електрону (точніше, один електрон сусіднього атома стає спільним — належить обом атомамодночасно).

Мал. 205. Залежність питомого опору від температури для напівпровідника

Мал. 206. Схеми будови: а — атома Германію; б — кристала германію

Отже, взаємодія пари сусідніх атомів у кристалі германію здійснюється за допомогою ковалентного (парноелектронного) зв’язку (мал. 207, б, с. 246).

За низьких температур і відсутності світла усі електрони зайняті в ковалентних зв’язках. Вільних носіїв заряду в кристалі напівпровідника немає, тому кристал не проводить струму і його опір великий. За цих умов кристал є ізолятором.

З підвищенням температури кристала (або в результаті опромінення світлом, рентгенівськими променями, або під впливом сильних електричних чи магнітних полів) деякі ковалентні зв’язки руйнуються. На місці кожного розірваного зв’язку утворюється вакантне місце з нестачею електрона. Така конфігурація називається діркою. Електрони та дірки рухаються хаотично. Електрони займають місця дірок (рекомбінують) або вивільняються, розриваючи парноелектронні зв’язки (генеруються вільні електрони та дірки). Процеси генерації та рекомбінації відбуваються безперервно.

Електропровідність напівпровідників. Якщо до такого кристала прикласти напругу, то вільні електрони будуть рухатися до позитивного полюса поля, переміщуючись стрибкоподібно від одного вільного місця (дірки) до іншого. Тому створюється враження, що в напівпровіднику, крім електронів, рухаються ще й позитивно заряджені частинки — дірки.

Отже, за умови дії зовнішнього електричного поля, у кристалі напівпровідника окрім впорядкованого руху електронів виникає ще й впорядковане переміщення дірок. Саме тому до електричного струму вільних електронів (n-провідності) додається електричний струм, пов’язаний з переміщенням дірок (р-провідність).

Власна та домішкова 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. Як домішки використовують атоми елементів сусідніх груп періодичної системи хімічних елементів. Наприклад, внесемо у чотиривалентний Германій невелику кількість п’ятивалентного Арсену (мал. 207, а).

Мал. 207 Утворення напівпровідника n-типу (а) та p-типу провідності (б)

Заміщаючи атом Германію у кристалі, атом Арсену віддає на утворення ковалентних зв’язків із сусідніми атомами Германію чотири електрони, а п’ятий стає вільним.

Домішки, що легко віддають електрони, а отже, збільшують кількість вільних електронів, називають донорними домішками. Напівпровідники з донорною провідністю мають більшу кількість електронів провідності порівняно з кількістю дірок. Їх називають напівпровідниками n-типу. У них електрони є основними носіями заряду, а дірки — неосновними.

Коли ж як домішку використовують Індій, атоми якого тривалентні, то тип провідності Германію теж зміниться.

Тепер для встановлення нормальних парно-електронних зв’язків із атомами Германію атому Індію не вистачає одного електрона. Унаслідок цього утворюється дірка. Кількість дірок у кристалі дорівнюватиме кількості атомів Індію (мал. 207, б). Домішки цього типу називають акцепторними (приймальними). Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу. Основними носіями заряду таких напівпровідників є дірки, а неосновними — електрони. Змінюючи концентрацію домішки, можна істотно змінити кількість носіїв заряду того або іншого знака, а отже, створити напівпровідники, в яких переважає концентрація або позитивно, або негативно заряджених носіїв.

Електронно-дірковий перехід. Цікаві явища спостерігаються в місці контакту напівпровідників n- і p-типів. Перехід між двома областями напівпровідника з різними типами електропровідності називається електронно-дірковим, або р-n-переходом.

Основна властивість р-n-переходу — однобічна провідність — широко використовується в різноманітних напівпровідникових пристроях.

Підбиваєм підсумки

- До напівпровідників належать речовини, що за питомим опором займають проміжне місце між провідниками та ізоляторами (діелектриками).

- Властивості напівпровідників:

- питомий опір напівпровідників з підвищенням температури не зростає, як у металів, а навпаки, різко зменшується;

- електропровідність напівпровідників залежить від освітленості, тобто напівпровідникам властива так звана фотопровідність;

- напівпровідники можуть перетворювати енергію світла в електричний струм;

- електропровідність напівпровідників можна значно збільшити введенням у них атомів деяких інших елементів (домішок).

- Носіями електричного струму в напівпровідниках є електрони та дірки, які з’являються внаслідок вивільнення електронів із деяких ковалентних зв’язків під час тепловихколивань атомів.

Я знаю, вмію й розумію

1. Чим напівпровідники відрізняються від металів і діелектриків?

2. Як у чистих напівпровідниках виникають електронна та діркова провідність?

3. Що називають власною провідністю напівпровідників?

ПОЯСНІТЬ

1. Чому зменшується питомий опір напівпровідників з підвищенням температури?

2. Чому опір напівпровідників дуже залежить від наявності домішок?



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