§ 14. Электрический ток в полупроводниках

Определения и обозначения

Полупроводник — материал, проводимость которого зависит от температуры, освещения и примесей. В отличие от металла, в котором много свободных носителей, чистый полупроводник обычно проводит слабее, а диэлектрик почти не проводит ток. Эта особенность позволяет управлять проводимостью полупроводника и использовать его в электронных приборах.

Дырка — незаполненное место в валентной связи, то есть отсутствие электрона там, где он мог бы удерживать связь между атомами. Дырка ведёт себя как положительный носитель заряда: соседний электрон занимает пустое место, и незаполненной оказывается следующая связь. Это понятие помогает описать перенос заряда без представления, будто по кристаллу движутся отдельные положительные частицы.

Донорная примесь — примесь, атомы которой легко отдают электроны в кристалле. Эти электроны становятся свободными и увеличивают электронную проводимость. Донорные атомы нужны, когда требуется получить полупроводник, в котором преобладают электроны.

Акцепторная примесь — примесь, атомы которой захватывают электроны из ковалентных связей и тем самым создают дырки. Благодаря ей возрастает число положительных носителей, то есть дырок. Акцепторная примесь позволяет получить полупроводник, в котором основную роль в переносе тока играют дырки.

Как это устроено

В кристалле кремния каждый атом связан с соседями валентными электронами: общие пары удерживают атомы рядом и образуют ковалентные связи. Пока электрон остаётся связанным, он не может свободно перемещаться по кристаллу и переносить ток на большие расстояния. Поэтому в чистом полупроводнике при низкой температуре свободных носителей мало, хотя электрическое поле может действовать на кристалл.

При нагревании атомы колеблются сильнее и часть электронов получает энергию, достаточную для выхода из связи. Электрон становится свободным, а в его прежней связи остаётся дырка; так возникает электронно-дырочная пара. Чем выше температура, тем больше связей может разрушиться и тем больше электронов и дырок появляется. Поэтому чистый полупроводник при нагревании проводит лучше.

Если к кристаллу приложено электрическое поле, свободные электроны направленно движутся против направления поля, а дырки — по направлению поля. Движение обоих видов носителей создаёт электрический ток. Дырка не перескакивает по кристаллу как отдельная частица: её перемещение получается потому, что электрон из соседней связи занимает незаполненное место, оставляя дырку там, откуда ушёл.

Примесь меняет число носителей, потому что её атомы образуют связи с атомами кристалла иначе, чем атомы самого полупроводника. Донор отдаёт лишний электрон: в кристалле становится больше электронов, и он приобретает проводимость n-типа. Акцептор захватывает электрон из связи, оставляя дырку, поэтому возникает проводимость p-типа. В n- и p-областях есть носители обоих знаков, но основные носители — те, которых больше; сам кристалл при этом сохраняет нейтральность.

Если соединить области n- и p-типа, на их границе возникает p–n-переход — область, свойства которой определяют направление проводимости. В прямом включении внешнее напряжение помогает основным носителям двигаться через границу, и ток становится заметным. При обратном включении оно затрудняет такое движение, поэтому ток намного меньше. Это свойство используют в диоде, который пропускает ток преимущественно в одном направлении.

Проводимость чистого и примесного полупроводника

Сначала найдите причину появления носителей: нагревание создаёт пары в чистом кристалле, а примесь задаёт преобладающий тип носителя. Затем сравните основные и неосновные носители: в n- и p-материале присутствуют оба знака заряда, но их количество различается. Нагревание может добавлять носители и в примесный кристалл, не меняя название его типа.

Разбор задач

Задача 1

В чистом кремнии при нагревании образовались электронно-дырочные пары. Укажите, какие частицы переносят заряд и как меняется проводимость при повышении температуры. Нужно связать появление пар с возможностью движения зарядов, а не считать, что нагревание само по себе направляет их движение.

1. Нагревание даёт некоторым электронам энергию для выхода из ковалентных связей.
2. В результате появляются свободные электроны и дырки; оба вида могут перемещаться под действием электрического поля и переносить заряд.
3. При дальнейшем нагревании число таких пар возрастает, поэтому увеличивается число носителей и проводимость чистого кремния растёт.

Ответ: заряд переносят электроны и дырки; при повышении температуры проводимость увеличивается.

Задача 2

В кремний внесли донорную примесь. Определите тип полученного полупроводника, его основные и неосновные носители заряда. Здесь нужно отличить название примеси от вида носителей: донор отдаёт электроны, а не делает весь кристалл отрицательно заряженным.

1. Атом донорной примеси отдаёт электрон, который становится свободным в кристалле.
2. Из-за избытка свободных электронов полученный материал является полупроводником n-типа.
3. Основные носители в нём — электроны, а неосновные — дырки, возникающие, например, при тепловом разрушении связей.

Ответ: кремний стал полупроводником n-типа; основные носители — электроны, неосновные — дырки. Избыток электронов как носителей не означает, что кристалл в целом получил отрицательный заряд.

Задача 3

К источнику постоянного напряжения подключили полупроводниковый диод сначала в прямом, затем в обратном направлении. Сравните токи и объясните различие. Следует определить, помогает ли приложенное поле основным носителям преодолеть p–n-переход или препятствует их движению.

1. В прямом включении напряжение поддерживает движение носителей через переход: дырок со стороны p и электронов со стороны n.
2. Граница областей проводит заметно лучше, поэтому при том же источнике ток получается большим.
3. При обратном включении внешнее поле препятствует переходу основных носителей; остаётся лишь небольшой ток неосновных носителей.

Ответ: в прямом направлении ток значительно больше, чем в обратном, потому что p–n-переход в этих случаях соответственно открыт для основных носителей и затрудняет их движение.

Типичные ошибки

Считать дырку отдельной положительно заряженной частицей, подобной протону, неверно: это незаполненное место в ковалентной связи. Такую путаницу вызывает описание дырки как положительного носителя тока. Проверьте себя: опишите её перемещение через переход электронов между связями, а не полёт особой частицы.

Нельзя путать донорную примесь с основными носителями: донор отдаёт электроны и создаёт n-тип, а акцептор создаёт дырки и p-тип. Ошибка возникает, если ориентироваться только на слово «примесь», не спрашивая, что делают её атомы. Проверка простая: донор — электроны, акцептор — дырки.

Утверждение, что нагревание уменьшает проводимость полупроводника, переносит на него привычное правило для металлов. В полупроводнике при нагревании разрушается больше связей и появляются дополнительные свободные носители. Чтобы проверить вывод, спросите себя, что меняется при нагревании: число носителей или их связывание; здесь число носителей растёт.

Наличие избытка электронов в n-типе или дырок в p-типе не означает, что весь материал заряжен. Путаница возникает из-за того, что «основные носители» принимают за суммарный заряд кристалла. Помните, что заряды компенсируются зарядами атомов и ионов решётки, поэтому примесный полупроводник в целом нейтрален.

Связь с другими темами

Чтобы понять проводимость полупроводника, пригодятся знания о строении атома и валентных электронах: именно они участвуют в образовании ковалентных связей. Также нужно различать электрический ток и носитель заряда, чтобы объяснить, почему ток создают не только электроны, но и дырки. Эти понятия связывают устройство кристалла с наблюдаемым движением зарядов.

Представление о p–n-переходе помогает разобраться в работе полупроводникового диода и выпрямлении переменного тока. Выпрямление означает преобразование тока, меняющего направление, в ток преимущественно одного направления. Тот же принцип односторонней проводимости используется в электронных приборах, поэтому понимание перехода служит основой для изучения их работы.

Что запомнить

• В полупроводнике ток могут переносить и электроны, и дырки.
• Нагревание чистого полупроводника увеличивает число электронно-дырочных пар.
• В полупроводнике n-типа основные носители — электроны.
• В полупроводнике p-типа основные носители — дырки.
• Примесная проводимость возникает благодаря донорным или акцепторным атомам.
• p–n-переход проводит ток преимущественно в одном направлении.