Электрический ток в полупроводниках

Определение

Электрический ток в полупроводниках – это упорядоченное движение свободных электронов и дырок под действием электрического поля, возникающее в полупроводниковых материалах.

Как возникает электрический ток в полупроводниках

В полупроводниках при низких температурах почти все электроны прочно связаны с атомами и не могут свободно перемещаться, поэтому материал ведёт себя как изолятор. При повышении температуры или под воздействием света некоторые электроны получают достаточно энергии, чтобы разорвать связь с атомом и стать свободными. На месте покинутого электрона образуется «дырка» — это как пустое место в ряду, которое может быть заполнено электроном от соседнего атома. При этом «дырка» перемещается в противоположном направлении, ведя себя как положительный заряд. Таким образом, в полупроводнике появляются два типа носителей заряда: свободные электроны (отрицательные) и дырки (положительные), которые могут двигаться, создавая электрический ток.

Механизмы проводимости

Существуют два основных механизма проводимости в полупроводниках: собственная и примесная. Собственная проводимость обусловлена образованием электронно-дырочных пар из-за теплового возбуждения атомов самого полупроводника. Примесная проводимость возникает при добавлении в полупроводник небольшого количества атомов других элементов (примесей). Если примесь имеет больше внешних электронов (например, фосфор в кремнии), она отдает лишние электроны, создавая электронную проводимость (n-тип). Если примесь имеет меньше внешних электронов (например, бор в кремнии), она захватывает электроны из основного материала, создавая дырки и дырочную проводимость (p-тип). Эти два типа проводимости позволяют создавать p-n переходы – основу полупроводниковой электроники.

Зависимость от температуры и освещенности

Одной из ключевых особенностей полупроводников является сильная зависимость их электропроводности от внешних условий. С повышением температуры энергия теплового движения атомов увеличивается, и всё больше электронов освобождаются от своих атомов, создавая свободные электроны и дырки. Это приводит к значительному росту концентрации носителей заряда и, как следствие, к увеличению электропроводности полупроводника. Аналогично, при облучении полупроводника светом (особенно с подходящей длиной волны), энергия фотонов может выбивать электроны из атомов, также увеличивая число свободных носителей заряда и повышая проводимость. Эти свойства активно используются в различных датчиках и преобразователях.

Отличия от тока в металлах и газах

В металлах электрический ток обусловлен движением только свободных электронов, которые практически всегда присутствуют в большом количестве и мало зависят от температуры. В полупроводниках же носителями заряда являются и электроны, и дырки, а их концентрация сильно зависит от температуры, примесей и света. В газах электрический ток возникает только при ионизации атомов, которая может происходить, например, при высоких напряжениях, и переносится свободными электронами и ионами. Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и отличаются от них тем, что их проводимостью можно управлять, изменяя внешние условия или вводя примеси.

Как найти и применять

1. Определить тип полупроводника: собственный (без примесей), n-тип (с электронной проводимостью) или p-тип (с дырочной проводимостью).
2. Учесть влияние внешних факторов: температура (чем выше, тем больше носителей), освещенность (свет создаёт носители), наличие электрического поля (поле вызывает направленное движение).
3. Понять, какие носители заряда являются основными: электроны для n-типа, дырки для p-типа, и те, и другие для собственного полупроводника.
4. Определить направление движения носителей: электроны движутся против электрического поля, дырки – по полю.
5. Сделать вывод о направлении тока: условное направление электрического тока совпадает с направлением движения положительных зарядов (дырок) или противоположно направлению движения отрицательных зарядов (электронов).

Разбор задач

Задача 1

Почему при нагревании германиевого полупроводникового диода его сопротивление уменьшается, а ток через него при постоянном напряжении увеличивается?

1. В полупроводниках, таких как германий, при повышении температуры увеличивается энергия теплового движения атомов. 2. Это приводит к тому, что всё больше электронов получают достаточно энергии, чтобы разорвать свои ковалентные связи и стать свободными носителями заряда. 3. Одновременно с каждым освободившимся электроном образуется дырка. 4. Увеличение концентрации свободных электронов и дырок приводит к росту общей концентрации носителей заряда в полупроводнике. 5. Чем больше носителей заряда, тем легче электрическому току протекать через материал, то есть его сопротивление уменьшается. 6. Согласно закону Ома (I = U/R), при постоянном напряжении и уменьшении сопротивления ток через диод увеличивается.

Ответ: Сопротивление германиевого диода уменьшается из-за увеличения концентрации свободных электронов и дырок при нагревании, что приводит к увеличению тока при постоянном напряжении.

Где это встречается

• Диоды — Формирование p-n перехода позволяет диодам пропускать ток только в одном направлении, что используется для выпрямления переменного тока в постоянный.
• Транзисторы — Управление электрическим током в полупроводниках (с помощью третьего вывода) позволяет транзисторам работать как усилители или электронные ключи в микросхемах и процессорах.
• Солнечные батареи — Фотоэлектрический эффект в полупроводниках (например, кремнии) используется для преобразования энергии солнечного света непосредственно в электрический ток.
• Светодиоды (LED) — При рекомбинации электронов и дырок в p-n переходе полупроводника выделяется энергия в виде света, что лежит в основе работы светодиодов и лазеров.
• Датчики температуры — Сильная зависимость проводимости полупроводников от температуры используется в термисторах – резисторах, сопротивление которых значительно меняется с температурой, что позволяет точно её измерять.

Типичные ошибки

Не путать

• Электрический ток в металлах — В металлах ток переносят только свободные электроны, их концентрация очень высока и мало зависит от температуры. В полупроводниках носителями являются и электроны, и дырки, а их концентрация сильно зависит от температуры, примесей и освещенности.
• Электрический ток в газах — В газах ток возникает только при ионизации и переносится электронами и ионами (как положительными, так и отрицательными). В полупроводниках носители заряда (электроны и дырки) существуют и без ионизации, а их движение происходит в твёрдой кристаллической решетке.
• Электрический ток в жидкостях (электролитах) — В электролитах ток переносят ионы (положительные и отрицательные), перемещающиеся в растворе. В полупроводниках носители — электроны и дырки, движущиеся в твёрдом теле.

Откуда взялось понятие

Основные принципы полупроводниковой проводимости были сформулированы в начале XX века, а практическое применение началось с изобретения транзистора в 1947 году Джоном Бардиным, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли.

Как запомнить

Полупроводник = проводник + изолятор, ток переносят и электроны, и 'пустые места' (дырки), а его поведение можно 'настраивать'.