"Физика (изд. ВЕНТАНА-ГРАФ)", Хижнякова Л.С., Синявина А.А.
Полупроводники проводят электрический ток лучше диэлектриков, но обычно хуже металлов; их свойства заметно меняются при нагревании, освещении и добавлении примесей. Ток в них создают электроны и дырки — подвижные носители зарядов. Соединение областей с разными типами проводимости образует p–n-переход, который пропускает ток преимущественно в одном направлении. На его основе делают диоды для выпрямления тока, а свойства полупроводников используют в датчиках температуры и света.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Полупроводник — вещество, которое проводит электрический ток хуже проводника, но лучше диэлектрика. В отличие от металла, его проводимость сильно зависит от температуры, освещения и примесей. Поэтому полупроводник может не только проводить ток, но и менять проводимость при изменении внешних условий.
Электронная проводимость — перенос тока свободными электронами, имеющими отрицательный заряд. Дырочная проводимость возникает, когда по кристаллу перемещаются дырки — места, где не хватает электрона; они ведут себя как положительные носители. В реальном полупроводнике ток часто создают оба вида носителей.
Собственная проводимость возникает в чистом полупроводнике без намеренно добавленных примесей. Примесная проводимость появляется после введения в кристалл небольшого количества других атомов, которые меняют число электронов или дырок. Различие важно для понимания того, какие носители преобладают и как можно управлять проводимостью.
p–n-переход — граница между областями полупроводника p-типа и n-типа. При соединении областей возникает участок с особыми электрическими свойствами. Полупроводниковый диод — прибор с одним p–n-переходом; именно переход позволяет диоду проводить ток преимущественно в одну сторону.
В полупроводнике часть электронов связана с атомами и не может свободно переносить заряд. При нагревании электроны получают энергию и вырываются из этих связей. На месте каждого освобождённого электрона остаётся дырка, поэтому одновременно увеличивается количество отрицательных и положительных носителей. Чем больше носителей может перемещаться, тем выше проводимость и обычно ниже сопротивление материала.
Добавление примесей позволяет менять проводимость не только нагреванием. Атомы донорной примеси легко отдают дополнительные электроны, поэтому в таком кристалле преобладает электронная проводимость n-типа. Атомы акцепторной примеси способны захватывать электроны из связей, оставляя подвижные дырки, поэтому получается проводимость p-типа. В обоих случаях примесь меняет число основных носителей, а не превращает весь полупроводник в металл.
Если соединить области p- и n-типа, электроны и дырки начинают перемещаться через границу и частично нейтрализуют друг друга. Из-за этого около границы образуется область, в которой мало подвижных носителей и возникает электрическое препятствие для их дальнейшего движения. Такое устройство границы и называют p–n-переходом. Именно оно определяет, насколько легко ток проходит через соединение.
При прямом включении диода источник помогает носителям преодолеть препятствие на p–n-переходе, и через прибор проходит заметный ток. Если поменять полюса источника, препятствие для основных носителей становится сильнее, поэтому ток очень мал. Диод, таким образом, не является обычным проводником с одинаковыми свойствами в любом направлении. Разница между прямым и обратным включением позволяет использовать его для выпрямления.
Переменный ток периодически меняет направление, а диод преимущественно пропускает только одно из направлений тока. Поэтому после диода ток течёт в цепи не попеременно в обе стороны, а преимущественно в одну — это и называют выпрямлением. Другие свойства полупроводников полезны для измерений: сопротивление терморезистора меняется с температурой, а фоторезистора — с освещённостью. По изменению сопротивления приборы помогают обнаруживать изменения окружающих условий.
| Характеристика | Собственная проводимость | Примесная проводимость n-типа | Примесная проводимость p-типа |
|---|---|---|---|
| Причина появления носителей заряда | Нагревание чистого полупроводника | Атомы донорной примеси отдают электроны | Атомы акцепторной примеси создают дырки |
| Основные носители заряда | Электроны и дырки | Электроны | Дырки |
| Роль электронов и дырок | Оба вида носителей участвуют в токе | Электроны — основные, дырки — неосновные | Дырки — основные, электроны — неосновные |
| Влияние нагревания на проводимость | Число носителей растёт, проводимость увеличивается | Обычно возрастает число носителей и проводимость | Обычно возрастает число носителей и проводимость |
Сначала определите, откуда появились носители: из самого материала при нагревании или благодаря примеси. Затем сравните основные носители: это сразу показывает, к какому типу относится примесная проводимость. При нагревании в каждом типе полупроводника обычно становится больше подвижных носителей, хотя в таблице указаны главные различия происхождения.
Условие. Полупроводник нагрели. Объясните, как изменятся число свободных носителей заряда и его электрическое сопротивление. Нужно проследить цепочку от нагревания до изменения сопротивления, не предполагая, что исчезает один из видов носителей.
Ответ. Свободных электронов и дырок станет больше, проводимость возрастёт, а сопротивление обычно уменьшится.
Условие. В полупроводник добавили донорную примесь. Укажите тип проводимости и основные носители заряда. Чтобы не спутать обозначение типа с зарядом, выясним, что именно примесь отдаёт кристаллу.
Ответ. Возникает примесная проводимость n-типа, основные носители заряда — электроны.
Условие. Полупроводниковый диод включили в цепь сначала в одном направлении, затем в противоположном. Сравните токи и объясните различие. Важно сравнить не только направления включения, но и то, как они влияют на p–n-переход.
Ответ. При прямом включении ток заметный, при обратном — практически отсутствует; диод проводит преимущественно в одном направлении.
Ошибка — считать, что ток в полупроводнике создают только электроны. Так думают, потому что электроны имеют реальный заряд и знакомы по изучению металлических проводников. Но в полупроводниках перенос заряда обеспечивают и дырки; проверьте себя вопросом, что остаётся после освобождения электрона и может перемещаться по кристаллу.
Не путайте обозначение n-типа с положительным зарядом. Буква может казаться знаком заряда, но в n-области преобладают отрицательные электроны, а сама область в целом не обязательно заряжена. Проверка простая: назовите основные носители, появляющиеся благодаря донорной примеси.
Дырка — не отдельная положительно заряженная частица, лежащая внутри кристалла. Её так описывают, потому что отсутствие отрицательного электрона ведёт себя как положительный носитель, а соседние электроны могут перемещать это отсутствие. Чтобы проверить понимание, представьте, как электрон занимает соседнюю дырку: сама дырка словно смещается в другое место.
Неверно считать, что диод одинаково хорошо проводит в обоих направлениях. Это предположение возникает, если воспринимать его как простой кусок проводника, но p–n-переход создаёт разные условия для движения носителей. Сравните прямое и обратное включение: заметная разница токов подтверждает одностороннюю проводимость диода.
Для понимания полупроводников нужны знания о строении атома и электрическом заряде: они помогают объяснить появление свободных электронов и дырок. Также пригодятся понятия электрического тока и условий его существования в цепи. Сравнение с проводниками и диэлектриками показывает, почему полупроводники занимают промежуточное положение по способности проводить ток.
Понимание p–n-перехода подготавливает к изучению выпрямителей, транзисторов и электронных цепей. Зависимость сопротивления от температуры и освещённости связывает тему с датчиками и их применением. Эти знания помогают объяснить, как прибор реагирует на изменения окружающей среды.
Почему сопротивление полупроводника обычно уменьшается при нагревании?
При нагревании часть электронов получает энергию и освобождается от связи с атомами. Вместе с электронами появляются дырки, поэтому носителей заряда становится больше, проводимость возрастает, а сопротивление обычно уменьшается.
Что называют дыркой и почему она считается положительным носителем заряда?
Дырка — это место, где в связи между атомами не хватает электрона. Соседний электрон может занять это место, оставив дырку в другом месте, поэтому дырка перемещается по кристаллу и ведёт себя как носитель положительного заряда.
Чем отличаются полупроводники n-типа и p-типа?
В полупроводнике n-типа примеси увеличивают число свободных электронов, и электроны становятся основными носителями заряда. В полупроводнике p-типа примеси создают больше дырок, которые и являются основными носителями.
Почему диод пропускает ток преимущественно в одном направлении?
Диод содержит p–n-переход — границу областей с разными основными носителями заряда. При прямом включении эта граница пропускает ток, а при обратном включении почти не пропускает его.
Для чего используют полупроводниковые приборы?
Диоды применяют для выпрямления переменного тока, а транзисторы — для управления и усиления электрических сигналов. Терморезисторы и фоторезисторы помогают обнаруживать изменения температуры и освещённости.
§ 50. Электрический ток в полупроводниках. Полупроводниковые приборы
