"Физика (базовый уровень)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.
Полупроводники — вещества, проводимость которых занимает промежуточное положение между проводимостью металлов и диэлектриков. Их особенность в том, что проводимость заметно меняется при нагревании, освещении и добавлении примесей. Ток в них переносят свободные электроны и дырки — места, оставшиеся после ухода электронов из связей. Благодаря возможности управлять числом носителей заряда полупроводники используют в диодах и других электронных приборах.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Полупроводник — вещество, проводимость которого занимает промежуточное положение между проводимостью металлов и диэлектриков и заметно зависит от температуры, освещения и примесей. Например, кремний — полупроводник, свойства которого можно менять условиями и составом. Это определение помогает отличить его от металла, проводимость которого обычно слабее зависит от нагревания, и от диэлектрика, почти не проводящего ток.
Электронно-дырочная проводимость — перенос электрического заряда в полупроводнике свободными электронами и дырками. Следовательно, ток здесь связан не только с отрицательно заряженными электронами. Понятие нужно, чтобы учитывать оба вида носителей при объяснении движения заряда в кристалле.
Дырка — свободное место, возникшее в связи между атомами после ухода электрона; её движение в электрическом поле можно описывать как движение положительного заряда. Сама дырка не является отдельной частицей, подобной электрону: это состояние связи, в которой недостаёт электрона. Такое описание удобно, потому что позволяет следить за переносом положительного заряда без подробного отслеживания каждого электрона.
Примесная проводимость — проводимость полупроводника, обусловленная введением в него атомов примеси. Подбирая примесь, можно увеличить число электронов или дырок и тем самым изменить свойства материала. Это определение важно для понимания того, как получают полупроводники с нужным преобладающим видом носителей.
В кристалле кремния каждый атом связан с соседними атомами ковалентными связями. Валентные электроны — электроны внешнего слоя атома — участвуют в этих связях и не могут свободно перемещаться по кристаллу. Однако связь не удерживает электрон при любых условиях: при обычной температуре часть электронов получает достаточно энергии, чтобы покинуть её. Поэтому в веществе возникают носители заряда, хотя большинство валентных электронов остаётся связанным.
Когда электрон покидает связь, он становится свободным и может перемещаться внутри кристалла. На его прежнем месте остаётся дырка, которую способен занять электрон из соседней связи. Тогда прежняя связь восстановится, но дырка появится там, откуда ушёл этот соседний электрон. Получается, что заряд переносят и свободные электроны, и перемещающиеся дырки; такую проводимость называют электронно-дырочной.
При нагревании атомы кристалла сильнее колеблются и передают электронам энергию. Поэтому больше электронов получает возможность разорвать связи, а число пар «электрон — дырка» увеличивается. Когда носителей становится больше, электрический заряд легче переносится через образец. В результате сопротивление полупроводника уменьшается, хотя у металлов при нагревании обычно наблюдается обратная тенденция.
Если в кремний добавить атомы примеси с большим числом валентных электронов, чем у атомов кремния, часть электронов примесного атома не потребуется для образования связей с соседями. Такой электрон легче становится свободным и участвует в переносе заряда. Примесная проводимость в этом случае преимущественно электронная, поэтому полупроводник называют n-типа. Основные носители в нём — электроны, а дырки остаются неосновными.
Атом примеси с меньшим числом валентных электронов не может обеспечить столько же связей, сколько атомы основного вещества. В одной из связей оказывается недостающим электрон, то есть появляется дырка, которую могут заполнять электроны соседних связей. Перемещение таких незаполненных мест даёт дополнительный перенос положительного заряда. Получается полупроводник p-типа: его основные носители — дырки, а неосновные — электроны.
| Характеристика | Чистый полупроводник | Полупроводник n-типа | Полупроводник p-типа |
|---|---|---|---|
| Источник носителей заряда | Разрыв связей при получении энергии | Примесные атомы с избытком валентных электронов | Примесные атомы с недостатком валентных электронов |
| Основные носители заряда | Электроны и дырки | Электроны | Дырки |
| Неосновные носители заряда | Нет: оба вида равноправны | Дырки | Электроны |
| Что происходит с проводимостью при нагревании | Увеличивается | Увеличивается | Увеличивается |
Сначала определите, откуда взялись носители: из разрывов связей в чистом кристалле или благодаря примеси. Затем сравните, каких носителей больше: они и называются основными. Нагревание увеличивает число носителей во всех трёх случаях, поэтому проводимость возрастает.
Объясните, почему сопротивление образца полупроводника уменьшается при его нагревании.
Ответ: при нагревании растёт число свободных электронов и дырок, поэтому сопротивление полупроводника снижается.
В кристалл кремния ввели примесь, атомы которой имеют на один валентный электрон больше, чем атомы кремния. Определите тип полупроводника и его основные носители заряда.
Ответ: получен полупроводник n-типа; его основные носители заряда — электроны.
В полупроводнике n-типа концентрация электронов равна n, а концентрация дырок — p. Укажите, какой заряд переносит каждый вид носителей при прохождении тока, и объясните, почему электроны являются основными носителями.
Ответ: электроны переносят отрицательный заряд, дырки — положительный; электроны основные, поскольку их концентрация преобладает.
Дырку принимают за отдельную положительно заряженную частицу внутри кристалла. Так происходит потому, что её движение действительно описывают как движение положительного заряда. Проверка: вспомните, что дырка возникает именно при уходе электрона из связи, а не появляется как самостоятельная частица.
Иногда считают, что ток в полупроводнике создают только электроны. Электроны легче представить как реальные движущиеся частицы, тогда как дырка выглядит абстрактно. Проверка: назовите оба вида носителей и укажите, какой знак заряда приписывают каждому при описании тока.
Тип n или p путают со знаком заряда всех носителей. Причина — буквы n и p связывают с отрицательным или положительным зарядом и забывают о сравнении концентраций. Проверка: в обоих типах возможны электроны и дырки; название указывает лишь на основные носители.
Считают, что при нагревании сопротивление полупроводника растёт, как у металла. Это правило по привычке переносят на другое вещество, не учитывая изменение числа носителей. Проверка: проследите цепочку «нагревание — больше свободных электронов и дырок — выше проводимость — меньше сопротивление».
Для объяснения полупроводников нужны знания о строении атома, валентных электронах и химических связях в кристалле. Также важно понимать, что электрический ток связан с направленным движением заряженных частиц и различать положительный и отрицательный заряды. Эти представления помогают увидеть, почему дырка может описывать перенос положительного заряда. Знание о носителях заряда пригодится при изучении полупроводникового диода и его применения.
Почему полупроводник проводит ток хуже металла?
В металле много свободных электронов, которые могут перемещаться по веществу. В чистом полупроводнике при обычной температуре свободных носителей меньше: значительная часть электронов удерживается в связях между атомами. Поэтому его проводимость обычно ниже, чем у металла.
Что такое дырка и почему её считают носителем положительного заряда?
Дырка — это место в связи между атомами, освободившееся после ухода электрона. Когда соседний электрон занимает это место, дырка возникает в другом месте, то есть как бы перемещается. Такое движение удобно описывать как перенос положительного заряда.
Почему сопротивление полупроводника уменьшается при нагревании?
Нагревание помогает некоторым электронам покинуть связи между атомами. При этом появляются свободные электроны и дырки, а общее число носителей заряда возрастает. Чем больше носителей может переносить заряд, тем меньше сопротивление образца.
Чем полупроводники n-типа отличаются от полупроводников p-типа?
В полупроводнике n-типа примеси дают дополнительные свободные электроны, поэтому электроны являются основными носителями. В p-типе примеси способствуют появлению дырок, и основные носители там — дырки. Носители обоих видов присутствуют в обоих типах, но их концентрации различаются.
Могут ли в полупроводнике n-типа двигаться дырки?
Да, дырки могут перемещаться и в полупроводнике n-типа. Однако электронов там больше, поэтому они называются основными носителями, а дырки — неосновными. Тип полупроводника определяется преобладающим видом носителей, а не отсутствием носителей другого знака.
1. Полупроводники
