"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Полупроводники проводят электрический ток благодаря движению свободных электронов и дырок — незаполненных мест в связях между атомами. Их проводимость зависит от температуры, света и примесей: нагревание обычно увеличивает число носителей заряда, а добавление примесей позволяет управлять их количеством. Поэтому полупроводники используют в диодах, транзисторах и других электронных приборах. Главное — различать электронную и дырочную проводимость, а также основные носители в материалах n- и p-типа.
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 проводниками и диэлектриками и зависит от температуры, освещения и примесей. Например, к этой группе относятся кремний и германий. Эта зависимость позволяет изменять электрические свойства материала и использовать его в приборах.
Электронная проводимость — перенос электрического заряда свободными электронами в полупроводнике. Свободный электрон может перемещаться по кристаллу, не оставаясь закреплённым в одной связи. Это понятие нужно, чтобы описать одну из составляющих тока.
Дырочная проводимость — перенос заряда, связанный с последовательным перемещением электронов на освободившиеся места в валентных связях; эти места условно называют дырками. Соседние электроны переходят на свободное место, и оно смещается по кристаллу. Так описывают перенос заряда без представления о дырке как об отдельной частице.
Электронно-дырочная пара — возникающие одновременно свободный электрон и дырка при переходе электрона в состояние, в котором он может участвовать в проводимости. Электрон покидает связь, а незаполненное место остаётся в ней. Понятие пары помогает проследить, откуда берутся носители и как они исчезают при рекомбинации.
В кристалле полупроводника валентные электроны участвуют в связях между атомами. Пока электрон связан, ему трудно перемещаться по всему кристаллу и переносить заряд. Поэтому при низкой температуре свободных носителей мало, а проводимость невелика.
Нагревание передаёт энергию частицам кристалла, и некоторые электроны получают достаточно энергии, чтобы освободиться от связи. Освободившийся электрон может перемещаться между атомами, а на его прежнем месте возникает дырка. Так образуются носители обоих знаков, их количество растёт, а электропроводность увеличивается.
В электрическом поле свободный электрон испытывает силу, направленную против поля, поскольку его заряд отрицателен. Дырка ведёт себя как положительный носитель и перемещается по направлению поля. Поэтому ток в полупроводнике создают сразу два процесса: движение электронов и последовательное перемещение дырок.
Свободный электрон может вернуться в незаполненную связь и занять место дырки. Такое соединение называют рекомбинацией: электрон и дырка исчезают как пара. В равновесии пары продолжают возникать и исчезать, а количество носителей в среднем не меняется.
Примеси меняют число носителей, потому что их атомы иначе участвуют в связях кристалла. Донорные атомы отдают дополнительные электроны, поэтому в материале n-типа электроны становятся основными носителями. Акцепторные атомы захватывают электроны из связей и увеличивают число дырок, создавая p-тип; в обоих случаях остаются и носители противоположного знака, но их меньше.
| Свойство | Собственный полупроводник | Полупроводник n-типа | Полупроводник p-типа |
|---|---|---|---|
| Какие частицы являются основными носителями | Электроны и дырки | Электроны | Дырки |
| Какие примеси или процессы создают носители | Нагревание создаёт электронно-дырочные пары | Донорные примеси отдают электроны | Акцепторные примеси захватывают электроны |
| Соотношение числа электронов и дырок | Числа равны | Электронов больше, чем дырок | Дырок больше, чем электронов |
| Как направлено движение носителей в электрическом поле | Электроны — против поля, дырки — по полю | Электроны — против поля, дырки — по полю | Электроны — против поля, дырки — по полю |
| Какой тип проводимости преобладает | Электронная и дырочная | Электронная | Дырочная |
Сначала найдите в таблице тип материала, а затем сравните число электронов и дырок: носитель, которого больше, называют основным. В собственном полупроводнике оба вида носителей возникают парами, поэтому их количества равны. Направление движения электронов и дырок не зависит от типа полупроводника.
Задача 1. При нагревании образца полупроводника его сопротивление уменьшается. Объясните наблюдение. Здесь нужно связать изменение температуры не с движением уже имеющихся носителей, а прежде всего с изменением их количества.
Ответ: при нагревании возникают дополнительные электронно-дырочные пары, и увеличившееся число носителей уменьшает сопротивление.
Задача 2. Примесные атомы отдают кристаллу свободные электроны. Определите тип полупроводника и основные носители заряда. Важно определить действие примеси, а не судить о типе материала по одному лишь факту наличия примесных атомов.
Ответ: это полупроводник n-типа; основные носители заряда в нём — электроны.
Задача 3. В полупроводник p-типа внесли донорную примесь. Как изменятся концентрации электронов и дырок и почему нельзя определять тип только по названию одной примеси? Рассуждать нужно о суммарном результате действия исходного материала и добавленной примеси.
Ответ: электронов станет больше, а дырок может стать меньше; итоговый тип определяет соотношение концентраций носителей после внесения примесей.
Ошибка: считать дырку отдельной положительно заряженной частицей, подобной протону. Так думают, потому что дырка ведёт себя в поле как положительный носитель. Но это незаполненное место в системе связей, которое перемещается при переходах электронов. Проверьте себя: объясните движение дырки через последовательные переходы соседних электронов.
Ошибка: считать, что ток создают только электроны. Электроны действительно свободно движутся по кристаллу, и поэтому их роль легко заметить. Однако незаполненные места в связях тоже переносят заряд, так что ток может быть и дырочным. Для проверки перечислите оба вида носителей.
Ошибка: путать направление движения электронов с направлением условного тока. Заряд электрона отрицателен, поэтому в электрическом поле он движется против поля, тогда как ток направлен по полю. Путаница возникает, если переносить направление движения частицы прямо на направление тока. Проверьте знак носителя: для дырок движение совпадает с направлением поля.
Ошибка: считать, что при нагревании сопротивление полупроводника растёт так же, как у металла. В полупроводнике нагревание создаёт дополнительные носители, поэтому его проводимость обычно увеличивается, а сопротивление уменьшается. Ошибка возникает из-за переноса знакомого правила для металлов на другой материал. Чтобы проверить вывод, проследите, как температура влияет на концентрацию носителей.
Для этой темы нужны знания о строении атома и кристаллической решётки: они объясняют, почему электроны участвуют в связях и как в них появляется свободное место. Понятия электрического заряда и направления тока в металлах помогают понять движение носителей и не перепутать направление условного тока с движением электронов.
Изучение полупроводниковой проводимости помогает понять, как работают электронные приборы. Диоды используют свойства полупроводниковых областей для управления током, а транзисторы позволяют управлять током с помощью электрического сигнала. Изменение свойств примесями и внешними условиями лежит в основе работы и других устройств электроники.
Что именно называют дыркой в полупроводнике?
Дырка — это незаполненное место в связи между атомами, которое образовалось, когда электрон покинул связь. Когда соседний электрон занимает это место, дырка как бы перемещается в обратную сторону.
Почему нагревание увеличивает электропроводность полупроводника?
При нагревании часть электронов получает энергию, чтобы освободиться от связей. Возникают свободные электроны и дырки, поэтому носителей заряда становится больше, а сопротивление обычно уменьшается.
Как отличить полупроводники n-типа и p-типа?
В полупроводнике n-типа основными носителями являются электроны, а в p-типа — дырки. Тип определяется тем, каких носителей после внесения примесей больше.
Почему ток в полупроводнике может быть связан и с электронами, и с дырками?
В кристалле могут одновременно существовать свободные электроны и дырки. В электрическом поле электроны движутся против поля, а дырки — по полю, и оба движения создают ток.
Чем донорная примесь отличается от акцепторной?
Донорные атомы отдают кристаллу дополнительные свободные электроны и способствуют появлению n-типа. Акцепторные атомы захватывают электроны из связей, увеличивая число дырок и способствуя появлению p-типа.
§ 113. Электрический ток в полупроводниках
