§ 3.15. Электрический ток в полупроводниках

Определения и обозначения

Электрический ток в полупроводниках — направленное движение свободных электронов и дырок под действием электрического поля. Электроны имеют отрицательный заряд, а дырки ведут себя как положительные носители. Поэтому ток в полупроводнике может создаваться сразу двумя движущимися видами зарядов.

Собственная проводимость — проводимость чистого полупроводника, возникающая при образовании пар «электрон — дырка». Такие пары появляются, когда тепловая энергия разрушает отдельные ковалентные связи. Понятие позволяет объяснить, почему нагревание чистого материала увеличивает его способность проводить ток.

Примесная проводимость — проводимость полупроводника, обусловленная введением примесей, создающих дополнительные носители заряда. Одни примеси поставляют свободные электроны, другие образуют дырки. Так можно заранее задать преобладающий тип носителей и управлять свойствами материала.

Дырка — вакантное место в кристаллической решётке, которое ведёт себя как положительный носитель заряда. Она не является отдельной частицей: это результат отсутствия электрона в связи. Перемещение соседних электронов от места к месту создаёт картину движения дырки в противоположном направлении.

Как это устроено

Атомы полупроводника образуют кристаллическую решётку и соединяются ковалентными связями. В такой связи соседние атомы совместно используют валентные электроны, поэтому электроны обычно удерживаются около своих атомов и не участвуют в переносе заряда. При нагревании часть электронов получает энергию, достаточную для выхода из связи, и становится свободной.

Разрыв одной ковалентной связи не даёт только свободный электрон. На месте ушедшего электрона остаётся незаполненная связь — дырка, поэтому носители возникают парой. В электрическом поле электрон движется к положительному полюсу, а дырка — к отрицательному, и оба движения создают ток в одном направлении по условному определению тока.

Температура влияет на концентрацию носителей сильнее, чем на их движение между столкновениями. Чем выше температура, тем больше связей разрывается и тем больше свободных электронов и дырок появляется в кристалле. Увеличение числа носителей приводит к росту проводимости и, следовательно, к уменьшению сопротивления.

Атом донорной примеси имеет больше валентных электронов, чем атом полупроводника в решётке. Например, у фосфора пять валентных электронов: четыре образуют связи с соседями в кремнии, а пятый оказывается связан слабее и легко становится свободным. Поэтому электроны — основные носители, а материал называют полупроводником n-типа.

Акцепторная примесь имеет меньше валентных электронов, чем требуется для образования всех связей с соседями. В одной связи возникает недостаток электрона, то есть дырка, способная перемещаться по кристаллу. Даже небольшая концентрация примеси заметно меняет проводимость, потому что число добавленных носителей может быть намного больше их количества в чистом материале.

Виды проводимости полупроводников

Сначала определите источник носителей: тепловое образование пар указывает на собственную проводимость, а введённая примесь — на примесную. Затем найдите основной тип носителей и их знак. Во всех трёх случаях нагревание увеличивает проводимость полупроводника, поэтому сопротивление уменьшается.

Разбор задач

Задача 1. Носители в чистом кремнии

Нужно объяснить, какие носители заряда создают ток в чистом кремнии при повышении температуры. Кремний образует ковалентные связи, в которых валентные электроны обычно связаны с атомами. Рассуждаем не о появлении одного вида заряда, а о результате разрыва каждой связи.

1. При нагревании электрон получает дополнительную энергию.
2. Если этой энергии достаточно, электрон выходит из ковалентной связи и становится свободным.
3. На месте ушедшего электрона образуется дырка, поэтому одновременно появляются электрон и дырка.

Ответ: ток в нагретом чистом кремнии переносят свободные электроны и дырки. Их появление связано с разрывом ковалентных связей.

Задача 2. Примесь фосфора в кремнии

Определим тип проводимости кремния, если в него добавили атомы фосфора с пятью валентными электронами. У атома кремния четыре валентных электрона, поэтому нужно сравнить возможности образования связей. Лишний электрон примеси станет главным источником носителей.

1. Четыре электрона фосфора участвуют в связях с соседними атомами кремния.
2. Пятый электрон не нужен для образования этих четырёх связей и удерживается слабее.
3. Под действием тепла он легко становится свободным, увеличивая число электронов в кристалле.

Ответ: фосфор — донорная примесь, а кремний приобретает проводимость n-типа. Основными носителями становятся электроны.

Задача 3. Сопротивление при нагревании

Сравним сопротивление одного полупроводника при низкой и высокой температурах. Пусть внешнее напряжение и размеры образца не меняются. Нужно определить, как температура влияет на число носителей, а затем связать это с сопротивлением.

1. При повышении температуры разрывается больше ковалентных связей.
2. Концентрация свободных электронов и дырок возрастает.
3. При том же электрическом поле возникает больший ток, поэтому сопротивление становится меньше.

Ответ: сопротивление при более высокой температуре меньше. В отличие от металла, у полупроводника решающим оказывается рост концентрации носителей заряда.

Типичные ошибки

Только электроны. Ошибка возникает из-за того, что именно электроны обычно изучаются как свободные носители в металлах. В полупроводнике нужно учитывать и дырки, возникающие одновременно с электронами. Проверьте себя вопросом: что осталось после ухода электрона из ковалентной связи?

Дырка — частица. Дырку иногда представляют отдельным материальным объектом, хотя это вакантное место в решётке. Её движение является результатом последовательных переходов соседних электронов. Проверка проста: мысленно проследите, какой электрон занимает свободную связь.

n-типа означает положительный заряд. Так думают из-за неверного сопоставления буквы n со знаком материала. Буква n указывает на negative и означает преобладание отрицательных носителей — электронов. Определяйте тип по основным носителям, а не по общему заряду образца.

Сопротивление при нагревании растёт. Это правило знакомо по металлам, где усиливаются столкновения электронов с узлами решётки. В полупроводнике намного важнее резкое увеличение числа носителей заряда. Если температура повышается, ожидайте уменьшения сопротивления.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, валентных электронах и ковалентной связи. Также пригодятся представления об электрическом поле, силе тока и сопротивлении.

Свойства электронов и дырок подготавливают изучение p–n-перехода, полупроводникового диода и транзистора. Эти элементы являются основой многих электронных приборов.

Температурная зависимость проводимости используется в терморезисторах, датчиках температуры и измерительной технике. Изменение сопротивления позволяет преобразовать нагревание в электрический сигнал.

Что запомнить

• В полупроводниках ток переносят свободные электроны и дырки.
• В чистом полупроводнике электроны и дырки возникают парами при разрыве ковалентных связей.
• Дырка ведёт себя как положительный носитель заряда.
• При нагревании проводимость полупроводника увеличивается, а сопротивление уменьшается.
• Донорная примесь создаёт полупроводник n-типа с преобладанием электронов.
• Акцепторная примесь создаёт полупроводник p-типа с преобладанием дырок.
• Примесная проводимость определяется типом и концентрацией введённой примеси.