1. Электрический ток в полупроводниках

Определения и обозначения

Электронная проводимость — перенос заряда свободными электронами. Электрон имеет отрицательный заряд, поэтому в электрическом поле движется против направления поля, а также против направления условного тока. Это определение помогает не перепутать, куда движутся частицы и куда направлен ток.

Дырочная проводимость — перенос заряда, связанный с перемещением дырок. Дырка — незаполненное место в связи; при переходах соседних электронов она ведёт себя как положительный носитель и движется по направлению поля. Такое описание удобно, когда в полупроводнике важнее следить за перемещением незаполненных мест, а не за каждым электроном.

Собственная проводимость — проводимость чистого полупроводника, возникающая при образовании свободных электронов и дырок. Эти носители появляются парами, когда электрон получает достаточно энергии, чтобы освободиться от связи. Понятие позволяет описывать ток без добавленных примесей и связывать проводимость с температурой.

Примесная проводимость — проводимость полупроводника, изменённая введением примесей, которые создают дополнительные электроны или дырки. Примесные атомы меняют число носителей в основном материале, а не просто проводят ток сами по себе. Это определение нужно, чтобы объяснить, как получают полупроводники с заранее заданными свойствами.

Как это устроено

В чистом полупроводнике, например кремнии, валентные электроны участвуют в ковалентных связях между атомами. Пока электрон связан, он не может свободно перемещаться по кристаллу, поэтому при низкой температуре свободных носителей мало. Именно наличие связей объясняет, почему такой материал проводит ток хуже металла. Однако связи могут разрушаться, если электронам передать энергию.

При нагревании часть электронов получает энергию, достаточную для выхода из ковалентных связей. Освободившийся электрон может перемещаться по кристаллу, а на его прежнем месте остаётся дырка. Электрон и дырка возникают одновременно, потому что пустое место появляется именно после ухода электрона. В электрическом поле оба вида носителей движутся упорядоченно, и их движение создаёт ток.

Дырка не перескакивает между атомами как отдельный материальный шарик. Соседний связанный электрон занимает пустое место, но на прежнем месте этого электрона образуется новая дырка. Повторение таких переходов перемещает незаполненное место по кристаллу в сторону, противоположную перемещению электронов. Поскольку дырка соответствует отсутствию отрицательного заряда, её движение эквивалентно переносу положительного заряда.

Чтобы изменить проводимость, в полупроводник вводят небольшое количество атомов другого элемента. Если у примеси валентных электронов больше, чем у атомов основного вещества, для связей хватает не всех электронов примеси: лишний электрон может стать свободным. Такой материал называют полупроводником n-типа, а его основные носители — электронами. Буква n напоминает об отрицательном заряде этих носителей.

Если у атомов примеси валентных электронов меньше, для образования всех связей не хватает электрона. В результате появляется дополнительное незаполненное место, то есть дырка, и образуется полупроводник p-типа. Основные носители в нём — дырки, но электроны также присутствуют и могут переносить заряд. Поэтому обозначения типов показывают преобладающий вид носителей, а не отсутствие носителей другого знака.

Виды проводимости полупроводников

Сначала найдите строку о причине появления носителей, чтобы отличить чистый материал от примесного. Затем сравните основные и неосновные носители: их наличие не означает, что второй вид полностью отсутствует. Последняя строка показывает общий эффект нагревания, но конкретная зависимость может также определяться составом и условиями работы полупроводника.

Разбор задач

Нагревание чистого полупроводника

Условие. В чистом полупроводнике при нагревании увеличилось число свободных носителей. Объясните, какие частицы возникают и как это влияет на проводимость.

1. При нагревании электроны получают дополнительную энергию.
2. Некоторые из них покидают ковалентные связи. После этого возникают свободный электрон и дырка на месте покинутой связи.
3. Оба носителя могут перемещаться в электрическом поле, поэтому при их увеличении возрастает число частиц, переносящих заряд.

Ответ. Возникают пары «электрон — дырка». Число носителей и проводимость полупроводника увеличиваются.

Примесь в кремнии

Условие. В кремний ввели примесь, атомы которой имеют на один валентный электрон больше, чем атомы кремния. Определите тип полупроводника и основные носители заряда.

1. Сравним число валентных электронов: у примеси их больше, чем у кремния.
2. Для ковалентных связей примесный атом использует часть электронов, а лишний электрон может освободиться и перемещаться по кристаллу.
3. Поскольку примесь создаёт дополнительные электроны, материал относится к n-типу. Электроны здесь основные носители, хотя дырки тоже могут участвовать в токе.

Ответ. Получается полупроводник n-типа, основные носители заряда в нём — электроны.

Ток в полупроводнике p-типа

Условие. Полупроводник p-типа включён в электрическую цепь. Определите направления движения электронов и дырок и объясните, какие из них являются основными носителями.

1. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому движутся против направления электрического поля и условного тока.
2. Дырки ведут себя как положительные носители, поэтому перемещаются по направлению поля и условного тока.
3. В p-материале дырок больше, чем электронов: дырки основные, а электроны — неосновные носители. Это не мешает электронам вносить вклад в общий ток.

Ответ. Электроны движутся против условного тока, дырки — по нему. Основные носители в p-полупроводнике — дырки.

Типичные ошибки

Ошибка — считать дырку отдельной положительно заряженной частицей, появившейся независимо от электрона. Так можно подумать, потому что движение дырки описывают отдельно, но она обозначает незаполненное место в связи и перемещается вслед за переходами электронов. Проверка: при тепловом образовании дырки обязательно появляется свободный электрон, то есть носители возникают парой.

Ошибка — направлять электрон по условному току. Её допускают, перенося на электрон направление движения положительного заряда, но электрон заряжен отрицательно и движется против поля и условного тока. Проверка: сначала отметьте знак заряда носителя, а затем определите направление его движения в поле.

Ошибка — утверждать, что в n-типе есть только электроны, а в p-типе только дырки. Название типа указывает на преобладающие, а не единственные носители, поэтому в обоих материалах присутствуют частицы обоих знаков. Проверка: вспомните, что в n-типе дырки неосновные, а в p-типе неосновные — электроны.

Ошибка — считать примесную проводимость током, который проводят сами примесные атомы. Примесь важна потому, что изменяет число носителей в полупроводнике: добавляет электроны или способствует появлению дырок. Проверка: назовите, какие именно частицы примесь создаёт, и определите тип материала по основным носителям.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны представления об электрическом токе, заряде электрона и условном направлении тока. Они помогают понять, почему движение отрицательного электрона направлено противоположно току, а дырочное движение — по его направлению. Новые понятия пригодятся при изучении диодов, транзисторов и электронных схем. В этих приборах используют разные свойства полупроводников и управляют движением носителей заряда.

Что запомнить

• Ток в полупроводнике создают электроны и дырки.
• Нагревание чистого полупроводника увеличивает число электронов и дырок.
• Электрон и дырка при тепловом образовании возникают парой.
• В полупроводнике n-типа основные носители — электроны.
• В полупроводнике p-типа основные носители — дырки.
• Движение электронов направлено противоположно условному току.