"Физика", Андрюшечкин С.М.
Полупроводники — материалы, чья способность проводить электрический ток зависит от температуры, освещения и примесей. К ним относятся кремний и германий. В чистом веществе ток переносят свободные электроны и дырки, возникающие при освобождении электронов из связей кристалла. Нагрев увеличивает число таких носителей, а специальные примеси позволяют управлять проводимостью. Эти свойства лежат в основе работы диодов, транзисторов и другой электроники.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Полупроводник — материал, проводимость которого зависит от температуры и наличия примесей. К нему относятся кремний и германий. Это определение нужно, чтобы отличать полупроводники от металлов и изоляторов: их проводимость можно заметно изменять.
Электронно-дырочная пара — свободный электрон и дырка, появившиеся одновременно после ухода электрона из связи в кристалле. Электрон становится носителем отрицательного заряда, а дырка — местом, которое может перемещаться по кристаллу. Понятие пары помогает описать образование носителей при нагревании или освещении.
Дырка — свободное место, оставшееся после ухода электрона. Если соседний электрон занимает это место, свободное место появляется рядом, поэтому кажется, что дырка движется. Такое движение удобно описывать как перенос положительного заряда.
Примесная проводимость — проводимость полупроводника, возникающая из-за специально введённых примесей. Примесь добавляет свободные электроны или создаёт дырки. Благодаря этому можно управлять свойствами материала и получать детали с нужным типом проводимости.
Атомы кремния или германия образуют упорядоченный кристалл. Каждый атом соединяется с соседними атомами общими электронами, поэтому эти электроны удерживаются связями и не могут свободно двигаться по всему веществу. Именно поэтому чистый полупроводник при обычных условиях проводит ток хуже металла.
При нагревании или освещении некоторые электроны получают дополнительную энергию. Её может оказаться достаточно, чтобы разорвать связь электрона с атомами кристалла. На месте ушедшего электрона остаётся дырка, поэтому возникают сразу два носителя: электрон и электронно-дырочная пара.
В электрическом поле свободные электроны начинают двигаться направленно к положительному полюсу источника. Дырки перемещаются в противоположную сторону: соседние электроны последовательно занимают свободные места, а сами дырки как бы движутся к отрицательному полюсу. Направленное движение обоих видов носителей создаёт электрический ток.
При повышении температуры колебания атомов усиливаются, а электроны получают больше энергии. Поэтому всё новые электроны покидают связи, и число электронно-дырочных пар растёт. Хотя движение частиц в нагретом кристалле становится менее упорядоченным, увеличение числа носителей обычно сильнее, поэтому проводимость полупроводника увеличивается.
Изменить проводимость можно введением примесей в чистый кристалл. Донорные атомы легко отдают дополнительный электрон, поэтому увеличивают число свободных электронов и создают электронную проводимость. Акцепторные атомы, наоборот, забирают электрон из связи и оставляют дырки, усиливая дырочную проводимость.
| Свойство | Металлы | Полупроводники |
|---|---|---|
| Основные носители заряда | Свободные электроны | Свободные электроны и дырки |
| Изменение проводимости при нагревании | Обычно уменьшается | Обычно увеличивается |
| Роль примесей | Обычно не создают основной механизм проводимости | Могут резко изменить число и вид носителей |
| Примеры материалов | Медь, алюминий, железо | Кремний, германий |
Сначала сравнивайте строку, которая относится к условию задачи: температуру, носители или примеси. Главное отличие — в реакции на нагревание и в возможности управлять проводимостью добавлением примесей. Таблица показывает общую картину, поэтому слово «обычно» означает типичное поведение, а не исключение без правил.
Условие: полупроводник нагрели. Как изменятся число свободных носителей заряда и его электрическая проводимость? Нужно установить причинную цепочку, а не сравнивать материал с металлом по памяти.
Ответ: число свободных электронов и дырок увеличится, а электрическая проводимость полупроводника обычно возрастёт.
Условие: в кристалл полупроводника ввели донорную примесь. Какие носители станут преобладающими и как изменится проводимость? Ключевое слово «донорная» означает способность отдавать дополнительные электроны.
Ответ: преобладающими будут электроны, а проводимость увеличится; такой полупроводник называют полупроводником с электронной проводимостью.
Условие: в два одинаковых образца добавили одинаковое количество донорной и акцепторной примеси. Нужно сравнить преобладающие носители и объяснить различие между образцами.
Ответ: в образце с донорной примесью преобладают электроны, а в образце с акцепторной — дырки; это электронная и дырочная проводимость соответственно.
Ошибка: считать дырку отдельной частицей с собственной положительной массой. Так думают, потому что дырка ведёт себя как положительный заряд, но физически это отсутствие электрона. Проверка: вспомните, что дырка появляется только после ухода электрона и перемещается за счёт соседних электронов.
Ошибка: утверждать, что при нагревании проводимость полупроводника уменьшается. Такое правило знакомо по металлам, где усиливаются столкновения электронов, но в полупроводнике нагрев прежде всего создаёт новых носителей. Проверка: составьте цепочку «нагрев — пары — больше носителей — больше проводимость».
Ошибка: смешивать электронную и дырочную проводимость. Электроны и дырки движутся как разные носители, хотя оба участвуют в переносе тока. Проверка: электрон имеет отрицательный заряд, а движение дырки описывают как перенос положительного заряда.
Ошибка: путать донорные и акцепторные примеси. Донор отдаёт электрон, а акцептор создаёт место для электрона, то есть дырку. Проверка: в названии «донор» ищите действие «дать», а затем связывайте его со свободными электронами.
Для понимания темы нужно знать, что электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Также необходимо различать положительный и отрицательный заряды, чтобы правильно описывать движение электронов и дырок.
Связь атомов в кристалле объясняет, почему электроны обычно удерживаются на своих местах. Нарушение этой связи при нагревании или освещении показывает, откуда берутся свободные носители.
Свойства полупроводников нужны при изучении диодов и транзисторов. В этих приборах используют различие электронной и дырочной проводимости и действие примесей.
Почему полупроводник проводит ток хуже металла?
В полупроводнике большинство электронов связано с атомами кристалла, поэтому свободных носителей меньше, чем в металле. Для появления новых носителей нужна энергия нагрева, света или примесей.
Что происходит с полупроводником при нагревании?
При нагревании электроны получают дополнительную энергию и могут покинуть свои связи. Образуются электронно-дырочные пары, поэтому число носителей и проводимость обычно увеличиваются.
Что такое дырка и почему её считают носителем положительного заряда?
Дырка — это свободное место, оставшееся после ухода электрона из связи. Когда соседний электрон занимает это место, дырка перемещается в обратную сторону, поэтому её движение описывают как движение положительного заряда.
Чем донорная примесь отличается от акцепторной?
Донорная примесь отдаёт кристаллу дополнительный электрон и увеличивает электронную проводимость. Акцепторная примесь, наоборот, создаёт свободные места для электронов — дырки.
Почему примеси могут заметно изменить проводимость полупроводника?
Даже небольшое количество примеси добавляет много носителей по сравнению с их числом в чистом полупроводнике. Поэтому проводимость и её характер могут существенно измениться.
§ 35. Полупроводники
