§ 54. Носители электрических зарядов в полупроводниках

Определения и обозначения

Полупроводник — вещество, занимающее промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по способности проводить электрический ток. Его проводимость можно заметно изменять нагреванием, освещением и добавлением примесей. Поэтому полупроводники удобны для создания электронных приборов.

Носители электрического заряда — частицы или их эквиваленты, движение которых создаёт электрический ток в полупроводнике. К ним относятся свободные электроны и дырки. По виду преобладающих носителей определяют свойства материала.

Электронная проводимость — проводимость, обусловленная направленным движением свободных электронов. Электрон имеет отрицательный заряд, поэтому его движение направлено противоположно условному направлению тока. Такая проводимость особенно характерна для полупроводников n-типа.

Дырочная проводимость — проводимость, возникающая из-за направленного перемещения положительно заряженных свободных мест в кристаллической решётке. Дырка появляется, когда из связи уходит электрон, а соседние электроны последовательно занимают освободившееся место. Это позволяет описывать движение заряда как перемещение положительного носителя.

Как это устроено

Атомы чистого полупроводника располагаются упорядоченно и образуют кристаллическую решётку. Каждый атом связан с соседними атомами, поэтому его валентные электроны участвуют в устойчивых связях и не могут свободно перемещаться по всему кристаллу. Именно поэтому при обычных условиях свободных носителей меньше, чем в металле.

Чтобы разорвать связь, электрону нужно передать энергию. Это происходит при нагревании или освещении полупроводника: часть электронов покидает свои связи и становится свободной. На месте ушедшего электрона остаётся незаполненное место — дырка, поэтому электрон и дырка рождаются одновременно.

Свободный электрон перемещается между атомами кристаллической решётки и под действием электрического поля получает направленное движение. Перенос отрицательного заряда образует электронную проводимость. Чем больше свободных электронов и чем легче они перемещаются, тем меньше сопротивление вещества.

Дырка не путешествует по кристаллу как отдельный шарик. Соседний электрон может занять свободное место, после чего дырка появится уже в другом месте; повторение таких переходов выглядит как её перемещение. Поскольку перемещается положительный эквивалент заряда, возникает дырочная проводимость.

В чистом полупроводнике электроны и дырки возникают парами, поэтому оба вида являются основными носителями заряда. Добавление примесей меняет их количество: донорные атомы отдают лишний электрон, а акцепторные забирают электрон из связи и оставляют дырку. Полупроводник с избытком электронов называют полупроводником n-типа, а с преобладанием дырок — p-типа.

Сравнение электронной и дырочной проводимости

Сначала определите по таблице, какой носитель преобладает и какой знак он имеет. Затем учитывайте механизм движения: электрон перемещается сам, а дырка передаётся от одного места к другому последовательным переходом электронов. В чистом полупроводнике оба столбца могут описывать проводимость одновременно.

Разбор задач

Задача 1

Условие: укажите носители заряда в чистом кремнии при комнатной температуре и объясните, почему при нагревании его проводимость увеличивается.

1. Кремний является чистым полупроводником, поэтому его носители возникают не из примеси, а при разрыве отдельных связей.
2. Назовём оба носителя: свободные электроны и дырки. При нагревании энергия кристалла возрастает, и образуется больше пар электрон–дырка.
3. Число подвижных носителей увеличивается, поэтому проводимость растёт, а сопротивление уменьшается.

Ответ: носители — свободные электроны и дырки; нагревание создаёт новые пары электрон–дырка и увеличивает проводимость.

Задача 2

Условие: в кремний добавили небольшое количество атомов фосфора. Определите тип получившегося полупроводника и его основные носители заряда.

1. У кремния четыре валентных электрона, а у фосфора — пять. Четыре электрона фосфора участвуют в связях с соседними атомами кремния.
2. Пятый электрон связан слабее и может стать свободным. Значит, фосфор является донорной примесью.
3. Донор увеличивает число свободных электронов, поэтому получившийся материал относится к n-типу.

Ответ: полупроводник n-типа; основные носители — свободные электроны.

Задача 3

Условие: в полупроводнике основными носителями являются дырки. Определите тип примеси, объясните механизм появления дырок и назовите знак тока, создаваемого их движением.

1. Преобладание дырок указывает на акцепторную примесь. У её атомов меньше валентных электронов, чем нужно для образования всех связей с соседями.
2. В одной связи не хватает электрона, поэтому появляется свободное место — дырка. Соседние электроны переходят на это место, и дырка перемещается в противоположную сторону.
3. Дырка считается положительным носителем, поэтому её движение создаёт ток положительного направления, то есть совпадающий с условным направлением тока.

Ответ: примесь акцепторная, полупроводник p-типа; дырки возникают из-за недостатка электронов в связях, а их движение создаёт ток положительного направления.

Типичные ошибки

Дырка как частица. Ошибка состоит в том, что дырку представляют отдельным материальным объектом. Так думают из-за удобного описания её движения; проверка проста: вспомните, что дырка — это место, освободившееся после ухода электрона.

Ток переносят только электроны. Такое утверждение учитывает проводимость металлов, но не объясняет поведение полупроводников. Проверьте себя: назовите два носителя — свободные электроны и дырки.

Путаница знака и направления. Электрон отрицателен и движется противоположно условному направлению тока, а дырка считается положительной. Для проверки отдельно укажите знак носителя, а затем направление его движения.

Любая примесь уменьшает проводимость. Примеси специально добавляют, чтобы увеличить число носителей: донорные дают электроны, акцепторные создают дырки. Если встретилась примесь, сначала определите её тип и преобладающий носитель.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, электрическом заряде и электрическом токе. Также важно различать проводники и диэлектрики: это помогает увидеть промежуточное положение полупроводников.

Деление на n- и p-типы используется при изучении p–n-перехода, диодов, транзисторов и других полупроводниковых приборов. Работа этих устройств связана с движением электронов и дырок на границе материалов.

Зависимость сопротивления полупроводника от температуры объясняет действие терморезисторов. При нагревании число носителей обычно увеличивается, поэтому сопротивление полупроводника уменьшается.

Что запомнить

• Полупроводники проводят ток хуже металлов, но лучше диэлектриков.
• Основные носители заряда в полупроводниках — свободные электроны и дырки.
• Дырка — это свободное место в кристаллической решётке, ведущее себя как положительный носитель заряда.
• В чистом полупроводнике электроны и дырки образуются парами.
• Донорная примесь создаёт избыток свободных электронов и полупроводник n-типа.
• Акцепторная примесь создаёт преобладание дырок и полупроводник p-типа.