§ 34. Электрический ток в полупроводниках

Определения и обозначения

Полупроводник — вещество, проводимость которого промежуточна между проводимостью металлов и диэлектриков и заметно зависит от температуры и примесей. К полупроводникам относятся, например, кремний и германий. Такая зависимость позволяет управлять их свойствами, поэтому полупроводники используют в электронных приборах.

Электронно-дырочная проводимость — перенос заряда свободными электронами и дырками. Дырка — незаполненное место в связи между атомами, которое ведёт себя как положительный носитель. Понятие помогает учитывать не только движение электронов, но и перемещение заряда при перестройке связей.

Примесная проводимость — проводимость, возникающая из-за введённых в полупроводник примесей, увеличивающих число свободных электронов или дырок. Донорные примеси дают дополнительные электроны, а акцепторные создают дырки. Управляя видом примеси, можно заранее задать, какие носители будут основными.

p–n-переход — граница между областями полупроводника с дырочной и электронной проводимостью. Его свойство — пропускать ток преимущественно в одном направлении — используют в диодах. Направление включения определяет, будет переход проводить ток или почти запирать его.

Как это устроено

В чистом полупроводнике электроны связаны с атомами и участвуют в образовании связей. При нагревании часть электронов получает энергию, достаточную, чтобы покинуть связь и стать свободными. На освободившемся месте остаётся дырка, поэтому каждый такой процесс создаёт сразу два носителя заряда. Чем сильнее нагревание, тем больше электронно-дырочных пар может возникнуть.

Если поместить полупроводник в электрическое поле, свободные электроны начнут двигаться против направления поля, а дырки — по направлению поля. Это различие связано со знаками зарядов: электрон отрицателен, а дырка условно положительна. Условное направление тока принято считать направлением движения положительных зарядов. Поэтому движение электронов против него и движение дырок по нему создают ток одного направления.

Нагревание увеличивает число носителей, которые могут переносить заряд. При неизменном электрическом поле большее число носителей создаёт более сильный ток, то есть проводимость возрастает. Сопротивление связано с тем, насколько трудно получить ток заданной силы при приложенном напряжении, поэтому при нагревании чистого полупроводника оно обычно уменьшается. У металлов изменение температуры приводит к противоположному обычному результату: их сопротивление, как правило, растёт.

Примесные атомы специально вводят в кристалл, чтобы изменить число носителей. Если атом примеси имеет больше валентных электронов, чем атом кремния, один электрон может оказаться слабо связанным и стать свободным. Такая примесь называется донорной, а полупроводник становится n-типа: его основные носители — электроны. Если электронов для связей не хватает, примесь принимает электрон из соседней связи и оставляет там дырку; это акцепторная примесь, а материал становится p-типа с основными носителями-дырками.

Когда области p- и n-типа соединяют, на границе возникает p–n-переход. При прямом включении внешнее напряжение помогает носителям двигаться через границу, поэтому через переход проходит заметный ток. При обратном включении поле затрудняет такое движение, и переход почти запирает ток. Различие токов при двух направлениях напряжения позволяет диоду пропускать ток преимущественно в одну сторону.

Носители заряда и проводимость полупроводников

В таблице сравнивайте прежде всего способ появления носителей и их основной тип: у чистого материала участвуют оба вида, а у легированных преобладает один. Нагревание в каждом случае способствует росту проводимости. Основные носители — не единственные возможные носители, а те, которых больше и чей вклад обычно важнее.

Разбор задач

1. Нагревание полупроводника

Полупроводник нагрели. Нужно определить, как изменятся число свободных носителей заряда и сопротивление. Рассматриваем обычный чистый полупроводник и сравниваем его состояние до и после нагревания. Причину изменения ищем в появлении электронов и дырок.

1. При нагревании часть связанных электронов получает энергию и освобождается.
2. На месте каждого освобождённого электрона образуется дырка, поэтому число носителей увеличивается.
3. Большее число носителей усиливает проводимость, а сопротивление обычно уменьшается.

Ответ: свободных носителей станет больше, сопротивление полупроводника обычно уменьшится. Это вывод для полупроводника при обычных условиях, а не универсальное правило для всех материалов. Проверка рассуждения проста: больше носителей — легче перенести заряд.

2. Кремний с донорной примесью

Кремний легировали примесью, атомы которой имеют на один валентный электрон больше, чем атомы кремния. Требуется назвать тип проводимости и основные носители заряда. Здесь важно сравнить число валентных электронов и понять, что происходит с дополнительным электроном. Слово «легировали» означает, что в материал специально ввели примесные атомы.

1. У атома примеси имеется дополнительный валентный электрон по сравнению с атомом кремния.
2. Этот электрон может стать свободным, поэтому примесь отдаёт его и называется донорной.
3. При наличии донорной примеси возникает проводимость n-типа, а основными носителями становятся электроны.

Ответ: кремний приобретает электронную проводимость n-типа; основные носители — электроны. Знак n связан именно с отрицательным зарядом основных носителей, а не с тем, что примесь сама по себе обязательно имеет отрицательный заряд. Проверить ответ можно по цепочке «лишний электрон — донор — n-тип».

3. Прямое и обратное включение диода

К полупроводниковому диоду приложили напряжение сначала в прямом, затем в обратном направлении. Нужно сравнить токи и объяснить различие. Диод содержит p–n-переход, поэтому важны не только величина напряжения, но и направление его включения. В прямом включении напряжение помогает носителям проходить границу областей.

1. При прямом включении переход пропускает заметный ток.
2. При обратном включении поле затрудняет перенос носителей через переход.
3. Обратный ток поэтому значительно меньше прямого: переход почти запирает его.

Ответ: ток при прямом включении заметный, а при обратном — очень малый. Важно не говорить, что обратный ток всегда строго равен нулю: формулировка «почти запирает» точнее. Такой вывод и объясняет, почему диод проводит преимущественно в одном направлении.

Типичные ошибки

Неверно считать дырку отдельной частицей, такой же, как электрон. Эту ошибку допускают, потому что дырку удобно изображать как положительный носитель, хотя физически это незаполненное место в связи. Проверьте себя вопросом: «Что именно перемещается?» — соседние электроны перестраивают связи, а дырка описывает результат этого движения.

Иногда считают, что токи от электронов и дырок направлены противоположно, потому что сами носители движутся в разные стороны. Но электрон отрицателен, поэтому его движение противоположно условному току, тогда как положительная дырка движется вместе с ним. Чтобы проверить направление, учитывайте одновременно и направление движения, и знак заряда носителя.

Обозначения n- и p-типа порой связывают со знаком заряда примеси или всего кристалла. На самом деле они указывают на основные носители: электроны в n-типе и дырки в p-типе. Проверка проста: вспомните, что донор отдаёт электрон, а акцептор создаёт дырку, и только после этого определяйте тип проводимости.

Ещё одна ошибка — считать, что диод одинаково хорошо проводит в обоих направлениях. Так рассуждают, если забывают, что p–n-переход по-разному реагирует на прямое и обратное включение. Сверьте направление напряжения с поведением границы: прямое включает заметный ток, обратное почти запирает его.

Связь с другими темами

Для понимания полупроводников нужно знать, что такое электрический ток и каково направление условного тока. Также пригодятся сведения о строении атома: они помогают объяснить, почему электрон может освободиться от связи, а примесный атом — отдавать или принимать электрон. Эти понятия связывают микроскопическое движение носителей с наблюдаемым током в цепи.

Свойства p–n-перехода объясняют действие полупроводникового диода — прибора, который проводит ток преимущественно в одном направлении. Это служит основой для дальнейшего изучения полупроводниковых приборов и электрических цепей с ними. Понимание роли носителей помогает разбираться, как изменение температуры и состава материала влияет на работу прибора.

Что запомнить

• В полупроводнике ток создают электроны и дырки.
• При образовании свободного электрона в чистом полупроводнике возникает дырка.
• При нагревании чистого полупроводника его проводимость обычно растёт.
• Донорная примесь создаёт электронную проводимость n-типа.
• Акцепторная примесь создаёт дырочную проводимость p-типа.
• p–n-переход проводит ток преимущественно в одном направлении.