70. Электрический ток в полупроводниках

Определения и обозначения

Полупроводник — материал, проводимость которого заметно зависит от температуры, освещения и примесей. К полупроводникам относятся, например, кремний и германий. Металлы хорошо проводят ток благодаря большому числу свободных электронов, а диэлектрики почти не имеют подвижных носителей. Полупроводники занимают промежуточное положение, но их особенность — возможность сильно менять проводимость.

Электронно-дырочная проводимость — перенос заряда свободными электронами и дырками. Дыркой называют отсутствие электрона в связи между атомами; при перемещении соседних электронов это отсутствие как бы движется по материалу. Дырка ведёт себя как подвижный носитель положительного заряда, поэтому для описания тока не приходится отслеживать перемещение каждого электрона в связях.

Примесная проводимость возникает, когда в полупроводник вводят небольшое количество атомов другого вещества. Донорные примеси могут отдавать дополнительные электроны, а акцепторные захватывают электроны из связей, оставляя дырки. Такое различие позволяет целенаправленно менять число и тип основных носителей заряда.

Электронная и дырочная проводимость — два типа примесной проводимости. В n-полупроводнике основными носителями служат электроны, а в p-полупроводнике — дырки. Буквы n и p указывают на преобладающий тип подвижного заряда, а не на заряд всего образца.

Как это устроено

В чистом полупроводнике атомы образуют упорядоченную структуру, а их валентные электроны участвуют в связях с соседними атомами. При низкой температуре почти все такие электроны остаются связанными, поэтому свободных носителей мало. Если носитель не может перемещаться по веществу, он почти не переносит заряд через весь образец. По этой причине холодный чистый полупроводник проводит слабо.

При нагревании часть электронов получает достаточно энергии, чтобы покинуть связь. Освободившийся электрон может перемещаться по кристаллу, а на его прежнем месте остаётся незаполненная связь — дырка. Соседний электрон способен занять это место, оставив дырку уже в другой связи, поэтому дырка перемещается по материалу. В электрическом поле электроны и дырки движутся направленно, и их движение создаёт ток.

Чтобы изменить проводимость, в кристалл вводят атомы примеси. Если у примесного атома есть лишний валентный электрон, он может сравнительно легко стать свободным; такая примесь называется донорной. Она увеличивает число электронов, и получается n-полупроводник. Акцепторный атом, напротив, может принять электрон из соседней связи, оставив подвижную дырку, поэтому возникает p-полупроводник.

При повышении температуры в чистом полупроводнике больше электронов получает энергию для выхода из связей. Каждый такой переход создаёт пару носителей — электрон и дырку, поэтому их концентрация возрастает. Чем больше подвижных носителей, тем легче переносится заряд и тем меньше обычно сопротивление образца. У металлов при нагревании сопротивление, как правило, увеличивается, поэтому температурное поведение этих материалов различается.

Если соединить области p- и n-типа, на границе между ними образуется p–n-переход. Носители взаимодействуют вблизи границы, и там возникает область, которая мешает их дальнейшему движению. При прямом включении внешнее напряжение облегчает прохождение носителей через переход, а при обратном — затрудняет его. Поэтому ток через диод заметно зависит от направления включения.

Сравнение чистого и примесных полупроводников

Сначала найдите в таблице причину появления носителей: она помогает отличить нагревание чистого материала от введения примеси. Затем сравните основные носители, чтобы определить тип примесной проводимости. Указанное изменение при нагревании относится к обычному поведению полупроводников; конкретная проводимость зависит также от состава и условий.

Разбор задач

Задача 1. В чистом полупроводнике при нагревании число свободных электронов увеличилось. Нужно определить, какие ещё носители появились и что произойдёт с сопротивлением. Здесь важно вспомнить, что электрон не просто отделяется от атома: он покидает связь, а на её месте возникает дырка. Увеличение числа подвижных носителей облегчает перенос заряда.

1. Нагревание сообщает электронам энергию, достаточную для выхода из связей.
2. Выход каждого электрона оставляет незаполненное место в связи — дырку. Поэтому вместе со свободными электронами появляются дырки.
3. Электроны и дырки участвуют в переносе заряда, а их общее число увеличивается. Значит, проводимость возрастает, а сопротивление обычно уменьшается.

Ответ: вместе со свободными электронами образуются дырки; сопротивление полупроводника обычно уменьшается.

Задача 2. В кремний добавили примесь, атомы которой имеют на один валентный электрон больше, чем атомы кремния. Определим вид примеси и основные носители заряда. Для этого сравним число валентных электронов примесного атома и атома кремния: лишний электрон может не понадобиться для образования связей. Такой электрон легче становится свободным носителем.

1. Атом примеси имеет дополнительный валентный электрон, который способен покинуть атомную связь.
2. Примесь, отдающую электрон, называют донорной. Она увеличивает концентрацию свободных электронов.
3. Если основными носителями становятся электроны, полупроводник относят к n-типу. Дырки в нём тоже возможны, но они не являются основными носителями.

Ответ: примесь донорная, проводимость электронная, кремний становится n-полупроводником; основные носители заряда — электроны.

Задача 3. Полупроводниковый диод включили сначала в прямом, затем в обратном направлении. Требуется сравнить токи и объяснить различие. Диод содержит p–n-переход, и внешнее напряжение по-разному влияет на движение носителей в зависимости от полярности. Поэтому нельзя считать, что замена полюсов лишь меняет направление одинакового тока.

1. При прямом включении внешнее напряжение способствует движению носителей через p–n-переход.
2. Через границу проходит сравнительно большой ток, если напряжение достаточно для работы диода.
3. При обратном включении движение основных носителей через переход затрудняется, поэтому ток значительно меньше. В реальном диоде он не всегда строго равен нулю.

Ответ: в прямом направлении диод проводит значительно лучше, чем в обратном, потому что напряжение по-разному влияет на p–n-переход.

Типичные ошибки

Неверно представлять дырку отдельной частицей, похожей на электрон. Такую картину легко принять из-за того, что дырке приписывают положительный заряд, однако физически это незаполненное место в связи, которое перемещается благодаря переходам соседних электронов. Проверка: если в описании говорится о дырке, спросите себя, какой электрон оставил это место. Так становится понятно, почему дырка — удобная модель подвижного носителя.

Можно перепутать направление движения электронов с направлением условного тока. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому их движение направлено противоположно принятому направлению тока; положительные дырки движутся вместе с ним. Ошибка возникает, если считать, что любой носитель движется по направлению тока. Проверить ответ можно, отдельно указав знак заряда носителя и направление его движения.

Обозначение n иногда ошибочно трактуют как признак отрицательного заряда всего образца. На самом деле оно говорит о преобладании электронов среди подвижных носителей, а не о суммарном заряде вещества. Образец в целом нейтрален: заряды носителей уравновешиваются зарядами неподвижных частей кристалла. Проверка проста: различайте тип проводимости и электрический заряд тела.

Ещё одна ошибка — считать, что добавление примеси заряжает весь полупроводник. Примесь меняет концентрацию подвижных носителей, но материал в целом сохраняет электрическую нейтральность. Путаница появляется из-за слов «отдаёт электрон» или «создаёт дырку», если не учитывать остальные заряды в кристалле. Проверяя рассуждение, спрашивайте не только о носителях, но и о суммарном заряде образца.

Связь с другими темами

Для понимания полупроводников нужно знать строение атома, роль валентных электронов и то, как образуются связи между атомами. Представление об электрическом токе как о направленном движении заряженных частиц помогает объяснить, почему носители переносят заряд. Также нужно различать направление движения электронов и условного тока. Эти знания пригодятся при изучении диодов, выпрямителей и других электронных приборов, где свойства полупроводников используют для управления током.

Что запомнить

• В полупроводнике ток могут переносить электроны и дырки.
• При нагревании чистого полупроводника число носителей заряда возрастает.
• Донорная примесь создаёт электронную проводимость n-типа.
• Акцепторная примесь создаёт дырочную проводимость p-типа.
• В целом полупроводник остаётся электрически нейтральным.
• p–n-переход проводит ток преимущественно в одном направлении.